Arvutivõrgud. Väga põhjalik eksamimaterjal (7)

NB! Konspektis pole peaaegu ühtegi joonist. Eksamil võivad olla joonised vajalikud.
1. Üldine kommunikatsiooni mudel
Üldises kommunikatsiooni mudelis on alati kaks poolt – saatja ja vastuvõtja. Terves süsteemis on meil sisuliselt viis osa:
1)allikas, mis genereerib andmeid
2)saatja, mis teisendab andmed transportimiseks sobivale kujule
3)edasustusüsteem, mis transpordib signaalid ühest kohast teise
4)vastuvõtja, mis võtab signaali ja teisendab selle jälle adressaadi jaoks sobivale kujule
5)adressaat, kellele need allika poolt saadetud andmed on mõeldud kasutamiseks
2. Kommunikatsioonisüsteemi ülesanded
Kommunikatsioonisüsteemi ülesanded on:
1)Edastussüsteemi kasulikkus – seisneb selles, et teha transport saatja ja vastuvõtja vahel nii efektiivseks kui võimalik.
2)Liidestamine - kommunikatsiooni tagamine saatja/vastuvõtja ja edastussüsteemi vahel läbi liideste .
3)Signaali genereerimine – kommunikatsiooni tagamiseks peavad signaalide omadused olema sellised, et neid oleks võimalik edastada ja, et need oleks vastuvõtjale tõlgendatavad.
4)Sünkroniseerimine – saatja ja vastuvõtja ei saa näiteks samal ajal pakette saata, muidu tekib kokkupõrge ja andmevahetusest ei tule midagi välja.
5) Andmevahetuse juhtmine – mis seisneb põhimõtteliselt andmevahetuse reeglite paikapanemises. Näiteks tuleb ära määrata, kuidas saatja ja vastuvõtja saadavad andmeid korda mööda, millal on saatja andmed ära saatnud ja millal võib vastuvõtja hakata kinnituseks andmeid vastu saatma . Peale selle on veel vaja määrata pakettide vormingud ja suurused jms.
6) Vigade avastamine ja parandamine – siin määratakse ära, mida teha vigadega ja siis kui nendega enam hakkama ei saada.
7)Voo kontroll – seda on vaja selleks, et mitte ülekoormata vastuvõtjat saates andmeid kiiremini kui need ära töödeldakse.
8)Adresseerimine ja marsruutimine – kui kommunikatsioonimudelis on saatjaid ja vastuvõtjaid rohkem kui üks, siis on vaja leida parim tee ühest hostist teise.
9)Andmete taastamine – andmeid on vaja taastada kui näiteks informatsioon pakettides muutub halbade signaalide tõttu valeks.
10)Sõnumite formaatimine – selleks, et otspunktid saaksid üksteisest aru on vaja ära määrata „keel“ ehk sõnumite formaat .
11)Turvalisus – on muidugi väga vajalik, sest suure tõenäosusega soovib saatja, et tema andmed saaks kätte just see, kellele ta need saadab , mitte keegi teine.
12)Võrgu juhtimine – on vajalik võrgusüsteemi administreerimiseks, sest ükski süsteem ei jookse iseenesest. Vajalik on süsteemi vaadelda ja reageerida ülekoormustele, tõrgetele jms.
3. Mitmekihiline arhitektuur postisüsteemi näite baasil
Mitmed võrgukommunikatsiooni põhimõtted toimivad täpselt samamoodi nagu meie igapäeva elu kommunikatsioonis. Kui me võtame näiteks postisüsteemi, siis täpselt nagu ühes võrgus on ka siin meil saatja ja vastuvõtja. Saatja kirjutab kirja, paneb selle ümbrikusse ja siis ümbriku omakorda postkasti . Kiri viiakse postkastist postkontorisse ning postkontor transpordib selle kirja omakorda vastuvõtja postkasti. Vastuvõtja võtab kirja postkastist ja ümbriku seest välja ning loeb selle. Täpselt samamoodi nagu võrguski on vaja siin mitmed reeglid paika panna. Näiteks, millal on postkastide tühjendamine, mis keeles suhtlevad saaja ja vastuvõtja üksteise vahel jne.
4. Kihid , teenused, protokollid ja andmete liikumine läbi kihtide
Võrk koosneb väga paljudest erinevatest osadest. Selleks, et oleks vähegi kergem kogu seda süsteemi hallata, on võrgus olemas kihid. Kihid on kasulikud, sest:
1)nad võimaldavad kokku siduda erinevad keerulised süsteemid
2)nende üksikasjalik struktuur võimaldab hõlpsat identifitseerimist
3)nende eraldamine mooduliteks võimaldab neid kergemalt hooldada ja uuendada
Kihid – TCP/IP ja OSI mudeli näitel
Kihid ei pea teadma, kuidas teine kiht töötab. Alumine kiht lihtsalt pakub teenust ülemisele kihile ja kõige alumiseks kihiks on füüsiline kiht. Teenuseid osutatakse läbi liideste.
Protokoll – reeglistik, mis määrab ära kommunikatsiooni süntaksi, semantika , ajastuse ja muud sellised reeglid. Igal kihil on enda protokoll ja igal kihil on enda riistvara ja tarkvara , mis implementeerib seda protokolli.
Saatja ja vastuvõtja suhtlevad üksteisega tinglikult (kasutades alumise kihi teenuseid) ja eelnevalt kokkulepitud protokolliga. Iga kiht lisab andmete juurde päise ja edastab tulemuse madalamale kihile. Vastuvõtmisel eemaldab iga kiht temale mõeldud päise.
5. OSI mudel
OSI mudel koosneb 7-st kihist :
1)Rakenduskiht – rakendusprogrammile antavad teenused
2)Esitluskiht – Võrgust saabuvate andmete teisendamine üldkujult konkreetese rakenduse jaoks sobivale kujule ja vastupidi
3)Seansikiht – Ühenduse loomine suhtlevate rakenduste vahel. Määratakse ära millisel kujul toimub info saatmine , sünkronisatsioon jms
4)Transpordikiht – Usaldusväärse andmevahetuse garanteerimine. Tehakse rakenduselt saadud andmed segmentideks ja vastupidi ning määratakse ja kontrollitakse ka nende järjekorda
5)Võrgukiht – sõnumite marsruutimine, IP aadresside tasemel tegutsemine. Tehakse andmed datagrammideks.
6)Kanalikiht – vigade parandamine, sünkroniseerimine. Tehakse saabunud andmed datagrammideks ja väljaminevad andmed kaadriteks.
7)Füüsiline kiht – andmete füüsiline edastus punktist punkti.
6. TCP/IP mudel
TCP/IP mudel koosneb 5-st kihist:
1)Füüsiline kiht – andmete füüsiline edastamine punktist punkti
2)Võrgupöörduskiht – Füüsiline adresseerimine, voo kontroll, vigade kontroll, kaadriteks jagamine
3)Võrgukiht – marsruutimine, pakettide edastamine sihtpunkti
4)Transpordikiht – Portide adresseerimine, andmete segmenteerimine , tagab sõnumite edastuse ühest punktist teise.
5)Rakenduskiht – pakub rakendusi kasutajale nagu näiteks e-maili kirjavahetus , internetivõrku sisenemine , failide edastamine jne.
7. Ühendusele-orienteeritud ja ühenduseta andmeedastus
Mõlema andmeedastuse puhul on eesmärgiks edastada andmeid ühest punktist teise. Ühendusele orinteeritud andmeedastuse puhul on vajalik eelnev ühenduse loomine (handshaking). TCP protokoll on just selline transporditeenus ning tagab ka usaldusväärsuse kviteerimismeetodi abil. Protokoll tegeleb ka voo ja ülekoormuse kontrolliga . Ühenduseta andmeedastuse puhul saame rääkida näiteks UDP-st, mis ei taga usaldusväärsust ning ei teosta voo ega ülekoormuse kontrolli.
8. Kanalikommutatsioon ja pakettkommutatsioon, paketi pikkus
Kanalikommutatsiooni puhul luuakse kõigepealt ahel (pöördutakse lähima sõlme poole, see pöördub ise järgmise sõlme poole, kuni vastuvõtjani välja) ning kogu kanal reserveeritakse andmete saatmise ajaks. Kui andmed on saadetud, siis katkestatakse ühendus ja vabastatakse ressursid . Kasutatakse näiteks telefoni andmeedastuse puhul, kuid mitte interneti puhul, sest siis oleks suur osa ajast kanal vaba, mis oleks väga ebaeffektiivne.
Pakettkommutatsiooni puhul jaotatakse sõnum pakettideks/tükkideks ja siis saadetakse tükid minema. Ressursse, kasutakse ainult vajadusel s.t neid ei reserveerita. Pakettid lihtsalt pannakse teele ning iga pakett on sõltumatu ja võib liikuda erinevat teed pidi. Siin kohal on kusjuures oluline jagada andmed täpselt õigete pikkustega pakettideks, sest igas võrgusõlmes on ruuter , mis tegeleb pakettide edastusega ning kui paketid on jagatud liiga väikesteks tükkideks, siis tekivad ruuterisse nö järjekorrad (queues), mis võivad viia pakettide eemaldamiseni ruuterist, et ruumi teha uute jaoks. Samas kui pakettide pikkused on liiga suured, siis ei kasutata võrguressursse kõige effektiivsemalt ära nii, et siin tuleb leida tasakaal.
9. Multipleksimine sageduse, aja ja koodi järgi
Kanali saab multipleksida sageduse, aja ja koodi järgi:
Sageduse järgi kanali multipleksimine ( Frequency - division multiplexing - FDM) – erinevad võrguseadmed kasutavad suhtlemiseks erinevaid kanali sagedusi.
Aja järgi kanali multipleksimine (Time-division multiplexing - TDM) – igal võrguseadmel on õigus edastada infot mingil kindlal ajahetkel.
Statistiline aja järgi kanali multipleksimine (Statistical time-division multiplexing - STDM ) – on tegelikult natuke parem versioon TDM-st, kus analüüsitakse võrguseadmete töökoormust kanalile ja jagatakse vastavalt vajadustele kanali sagedused ära.
Koodi järgi kanali multipleksimine ( Code -division multiple access – CDMA ) – võrguseadmetele antakse kood, millega saab kanalit hõivata. Ainult need, kes teavad seda koodi saavad üksteisega suhelda, teisi seadmeid kohaldakse kui müra.
10. Ajalised viited võrkudes
Kuna paketi teekond sihtpunkti käib läbi mitmete võrgusõlmede, siis igas võrgusõlmes tulevad ette ajalised viited. Põhilised viited on seotud pakettide töötlemise, järjekordade ning paketiedastamisega järgmisesse võrgusõlme ja liikumisega võrgusõlmede vahel.
Pakettide töötlemine – iga pakett võetakse vastu ning analüüsitakse, kuhu see edasi saata
Järjekordade viide – sõltub sellest kui suur on pakettide liiklus läbi ruuterite buffritesse. Kui liiklus on väike, siis järjekordi buffrites eriti pole ja järjekordade viide on minimaalne ning vastupidi.
Paketiedastamine järgmisesse võrgusõlme - aeg, mis kulub paketi lükkamiseks kanalisse , mis viib järgmisesse võrgusõlme. Kusjuures paketti ei lükata enne kanalisse kui terve pakett on võrgusõlme kohale jõudnud.
Liikumine võrgusõlmede vahel – aeg, mis kulub liikumiseks ühest võrgusõlmest teise.
11. Arvutivõrkude ja Interneti ajalugu
1961 – Kleinrock tuli välja järjekorra teooriaga (queueing theory), mis oli pakettedastuse üks põhialuseid
1964 – Barani pakettvahetuse teooria
1967 – ARPAneti arendamise algus ( ARPAnet on esimene pakettedastusvõrk ja interneti eelkäija)
1969 – Esimene APRAneti võrgusõlm
1970 – ALOHAnet satelliitvõrk Havail
1972 – ARPAneti avalik demonstratsioon ; NCP (esimene otspunktide vaheline protokoll); Esimene e-maili programm; ARPAnetis on 15 võrgusõlme
1974 – Vint Cerf ja Robert E. Kahn töötavad välja arhitektuuri võrkude ühendamiseks (teisisõnu interneti arhitektuur)
1976 – Etherneti loomine Xerox PARCis (uurimis- ja arendusfirma IT valdkonnas)
70-ndate lõpp – luuakse arhitektuurid nagu DECnet, SNA, XNA
1979 – ARPAnetis on 200 võrgusõlme
1982 – SMTP
1983 – TCP/IP
1983 – DNS
1985 – FTP
1988 – Voo kontroll TCPs
1980-1990 – 100 000 hosti, luuakse võrgud nagu Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel
90-ndate algus – HTML, HTTP, URL, brauseritest Mosaic ja Netscape .
90-ndate lõpp – P2P, uued ja võimsad rakendused internetimaailmas, interneti turvalisus seatakse esimeseks, 50 miljonit hosti
2007 – 500 miljonit hosti, videokõned jms, P2P rakendused: BitTorrent (File sharing), Skype (VoIP), rakendused nagu YouTube jms, traadita ühenduse kiire areng
12. Mida erinevad rakendused nõuavad võrkudelt
Laias laastus nõuavad rakendused võrkudelt kolme:
1)Usaldusväärne andmeedastus – rakendused, mis on seotud elektroonse meili edastusega või failiedastusega nõuavad usaldusväärset andmeedastust, mis tähendab, et andmeid ei tohi kaotsi minna. Samal ajal kui mõned rakendused, mis on seotud näiteks filmi- või heliedastusega tolereerivad mingil määral andmete kaotsiminekut. Kui me võtame näiteks failiedastuse, siis sellel puhul ei pruugi andmete kaotsimineku puhul fail enam töötadagi, samal ajal kui muusika kuulamisel üle võrgu ei ole kahju nii suur kui üks sekund laulust kuulmata jääb. Sellepärast sõltubki rakenduse valikust ka protokolli valik võrgus.
2) Andmeedastuskiirus – mõned rakendused vajavad mingisugust minimaalset andmeedastuskiirus, et ülekanne oleks efektiivne. Kui selline ülekandekiirus ei ole tagatud, siis rakendus peab kodeerima/dekodeerima teisel kiirusel või siis lihtsalt alla andma. Elastsed rakendused (elastic applications) kasutuvad ära nii palju andmeedastuskiirusest kui võimalik.
3)Ajalised viited – rakendused, mis on seotud näiteks telefonivestluse või mingisuguse mänguga nõuavad pidevat andmevoogu otspunktide vahel. Liiga suured ajalised viited tekitavad ebanormaalseid pause ja on kasutajatele soovimatud.
Vastavalt sellele, millised on rakenduse vajadused, valitakse ka protokoll.
13. HTTP
HyperText Transfer Protocol on rakenduskihi protokoll. Serveri ja kliendi arvutid suhtlevad üksteisega programmide abil (näiteks brauser ja Apache), mis vahetavad HTTP sõnumeid üksteise vahel. HTTP ise defineeribki (nagu protokoll ikka) nende sõnumite struktuuri ja kuidas server ja klient üksteisele sõnumeid saadavad (näiteks kuidas toimuvad requestid ja edastus). Kui kasutaja vajutab mingile lingile, siis brauser saadab serverisse pordi 80 kaudu HTTP request objekti, mille peale server saadab kasutajale vastu HTTP response objekti, mis sisaldab neid objekte, millest antud veebileht koosneb. HTTP kasutab alusprotokollina TCP-d, mis tähendab seda, et enne serveri ja kliendi üksteise vahelist sõnumite saatmist tuleb luua ühendus kaheotspunkti vahel ja reserveerida „läbitav teekond“. Siin tuleb ka välja kihilise arhitektuuri eelis: kui rakenduskiht (HTTP) annab liidesega läbi SAP-i ( Service Access Point, antud juhul socket) töö edasi TCP’le, siis tema töö on tehtud ja transport on juba TCP teha. Serveri ja kliendi vahel on võimalik moodustada kahte tüüpi ühendusi: Püsiv ( persistent ) ja mittepüsiv ühendus. Mittepüsiva ühenduse korral luuakse uus ühendus iga objekti saatmiseks (mis nõuab 2 RTT-i – see tähendab päris palju aega) ning pärast seda kui server saadab vastuse, ta katkestab ühenduse. Selline suhtlus aga võib viia ummistumiseni kui kliente on palju, sest tänapäeva veebilehtedeel on objekte ikka päris palju. Püsiva ühenduse korral loodud ühendust ei katkestata ja see annab nii ajalise võidu kui ka selle, et ummistusoht on palju väiksem, kuid ka sellel ühendusviisil on tagasilöök. Nimelt kui ühendust ei katkestata, siis vahepeal kui suhtlust serveri ja kliendi vahel ei toimu on tegu ressurssi raiskamisega. HTTP sõnumeid on kahte tüüpi nagu eelnevalt sai ka mainitud : HTTP request sõnumid ja HTTP response sõnumid. HTTP request sõnum koosneb request line’st (kus on requesti meetod, URL ja HTTP versioon), header line’st (info hosti, ühenduse ja kliendi kohta) ja entity body ’st (GETi puhul tühi, POSTi puhul saadetakse on näiteks vormi väljade väärtused siin).
HTTP response koosneb status line’st (kus on protokolli versioon, staatuse kood ja staatuse sõnum), request line’st (info serveri, ühenduse ja andmete kohta) ja entity body’st (sisaldab andmeid). Kuna HTTP server on olekuta (stateless), kuid serveril on ikkagi vaja identifitseerida klienti, siis on kasutusele võetud cookie ’d. Kui kasutaja alustab serverisse sisenemist saadab ta (tavaliselt) brauseriga HTTP request objekti serverisse. Pärast seda saadab server vastu HTTP response objekti, mille header’is on nüüd Set-cookie: header lisaks teistele,mis sisaldab unikaalset identifikaatornumbrit kliendi jaoks. Pärast seda kui brauser on HTTP response’i kätte saanud salvestab ta selle erilisse cookie file’i, mida ta hiljem kasutada oskab. Ja nüüd iga kord kui kasutaja uuesti siseneb sellesse serverisse saadab ta selle sama cookie (mille ta serverilt sai) tagasi serverisse HTTP request objektiga ja nii saab server kasutaja koguaeg ära uuesti tunda. Kui cookie’d ka aeguvad algab kogu protsess otsast peale.
14. FTP
File Transfer Protocol on rakenduskihi protokoll. Analoogselt HTTP-ga kasutab ka FTP alusprotokollina TCP-d. Suurim erinevus HTTP-ga on see, et FTP kasutab kahte TCP ühendust, et faili edastada. Esimene on kontrollühenduse jaoks (selle ühenduse kaudu saadetakse kontrollandmed nagu näiteks kasutajanimi, parool, käsud failide muutmiseks, lisamiseks ja kustutamiseks jne) ja teine on andmeühenduse jaoks (selle ühenduse kaudu saadetakse fail). FTP sessiooni korral luuakse kõigepealt TCP kaudu kontrollühendus, kusjuures serveri pordiks on antud juhul 21. Selle ühenduse kaudu saadetakse kontrollandmed ja käsud ning kui serverini jõuab failiedastuse käsk, siis ta loob andmeühenduse TCP kliendiga ja failiedastus saab alata . Pärast edastamist suletakse see ühendus. Kui uus fail on vaja saata, siis avatakse uus andmeühendus, kontrollühendus jääb aktiivseks terve sessiooni vältel.
15. Elektronpost, SMTP, MIME ja POP3
Elektronpost koosneb kolmest komponendist : user agent , meili server, SMTP ( Simple Mail Transfer Protocol). User agent on rakendus, mille abil saab kasutaja lugeda ja saata kirju. Meili server on server, kuhu talletatakse saabuvad ja väljaminevad kirjad. Igas meiliserveris on igal kasutajal on ruum, kuhu tulevad saabuvad ja väljaminevad kirjad, mida ta saab lugeda. SMTP on rakenduskihi protokoll, mis sätestab kirjade saatmise ning kasutab TCP-d alusprotokollina. Kirjad saadetakse serverile pordi 25 kaudu. SMTP protokoll koosneb kahest osast: kliendi poolne SMTP ja serveri poolne SMTP. Kui meil saadetakse kuhugi teise serverisse saatja meiliserverist, siis on kasutusel kliendi poolne SMTP ja kui meil jõuab vastuvõtja serverisse, siis on kasutusel serveri poolne SMTP. Peale selle piirab SMTP ära ka kirja body suuruse, milleks on 7- bitine ASCII formaat. SMTP on push tüüpi protokoll. Tüüpiline kirja teekond: 1)Saatja koostab user agentis kirja ja annab sellele käsu kiri vastuvõtjale saata. 2)User agent saadab kirja saatja meili serverisse, kus see pannakse järjekorda ( message queue). 3)Saatja (kliendi) poolne SMTP meili server näeb, et kiri on järjekorras ja loob TCP ühenduse vastuvõtja poolse SMTP serveri-ga. 4)Pärast ühenduse loomist (handshakingut) saadab saatja meili server kirja vastuvõtja meiliserverisse. 5)Vastuvõtja meiliserver paneb kirja vastuvõtja postkasti. 6)Vastuvõtja avab user agentis kirja. MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) on standard, mis võimaldab edastada selliseid kirju, mille sisu ei ole kodeeritav tavalise ASCII koodina. MIME koosneb kahest headerist, mis lisatakse kirja headerisse: Content-Type ja Content-Transfer-Encoding. Content-Type määrab ära, millist tüüpi on kirja body ja vastavalt sellele saab vastuvõtja user agent seda ka kodeerida. Content-Transfer-Encoding kirjeldab, millist tüüpi kodeeringut kasutati, et kiri ASCII-ks kodeerida. Nii, et kui kiri jõuab vastuvõtja user agentini, siis alguses vaatab viimane üle Content-Transfer-Encodingu ja dekodeerib kirja vastavalt sellele, mis tüüpi kodeeringut kasutati ning siis vaatab user agent üle Content-Type’i ja dekodeerib ära selle, mis on teist tüüpi kui tavaline ASCII. Tähtis märkus on siinkohal aga see, et kuna SMTP on push protokoll, siis vastuvõtja ei saa kätte kirju oma meili serverist SMTP-ga, sest see on pull operatsioon . Selleks, et kirju kätte saada peab vastuvõtja kasutama näiteks POP3 (Post Office Protocol) protokolli. POP3 on samuti TCP alamprotokollil põhinev protokoll. Kui user agent alustab meili serverisse sisenemist, siis loob POP3 TCP ühenduse ja läbitakse kolm faasi: autoriseerimine , tegutsemine ja uuendamine. Autoriseerimise korral saadetakse kasutajanimi ja parool. Tegutsemise ajal otsitakse sõnumeid, märgitakse neid kustutamiseks jne. Uuendamine läheb käiku siis kui POP3 sessioon lõppeb, sellel ajal eemaldatakse kirjad, mis kasutaja märkis ära.
16. DNS
Inimesed kasutavad internetis surfamisel hosti nimesid kui nad lehekülgi külastavad. See tähendab, et URL-i ribale kirjutame www.google.com, www. facebook .com, www.ttu.ee jne. Küll, aga ei suuda selliseid nimesid töödelda ruuterid, viimastel on vaja IP aadresse, et nende URL- idega midagi peale hakata. DNS ( Domain name system) viib vastavusse inimeste kasutatavad hosti nimed ja 32 bitised IP aadressid , mille alusel toimub pakettide edastus. DNS kasutab UDP-d pordil 53. DNS-i kasutavad teised rakenduskihi protokollid (HTTP, SMTP, FTP jne), et muuta hostinimed IP- deks . DNS pakub lisaks hostinimede IP-deks muutmisele ka muid teenuseid: 1) Host aliasing – keerukamatel hostinimedel võib olla üks või mitu aliast, mis on lihtsamad kui õige nimi ja seetõttu paremini meeldejäävad. 2) Mail server aliasing – analoogselt eelmisega võib ka keerukamatel meili aadressidel oli üks või mitu aliast, mis paremini meelde jäävad. 3) Load distribution (koormuse jagamine) – väga suure külastatavusega saitidel on mitu serverit, milledel nad eksisteerivad, kusjuures igal serveril on oma IP. DNS viib suurema külastatavusega saidile vastavusse mitu IP-aadressi ning jaotab nende aadresside vahel koormuse ära kui päringud leiavad aset.
Üks tsentraliseeritud DNS server poleks mõeldav, sest: 1) Kui see crashib, siis pmselt crashib kogu internet 2) Liiga palju päringuid tuleks sellesse serverisse, mis tooks kaasa liiga suure trafficu 3) Üks server ei saa olla lähedal kõigile hostidele ja sellepärast tooks kaasa suured delay ’d 4) See server peaks olema hiiglaslik ja seda peaks koguaeg uuendama, sest hoste tuleb koguaeg juurde
Sellepärast on DNS jagunenud mitmeteks serveriteks üle maailma. Ühelgi DNS serveril pole kõiki hostide nimesid vaid need on jaotatud serverite vahel. Põhimõtteliselt on kolme tüüpi DNS servereid: juurserverid, nimeserverid ja autoratiivsed serverid . Igal ISP-l on oma kohalik DNS server. Kui host kasutab teenusepakkuja internetilahendust, siis ISP pakub enda poolt hostile ligipääsu ühele või rohkematele oma kohalikele DNS serveritele. Kui host soovib teada mingi teise hosti IP-aadressi, siis kõigepealt küsitakse vastust lokaalse DNS serveri käest. Kui see vastust ei tea, siis kohalik server küsib vastust juurserveri käest, mis tagastab nimeserverite IP aadressid, kes on vastutavad selle teise hosti IP eest. Peale seda valib lokaalne server välja ühe nimeserveri aadressi ja küsib sealt, mille peale nimeserver tagastab autoratiivse serveri IP, kes teab selle hosti aadressi ja lõpuks küsib lokaalne server autoratiivse serveri käest ja saab vastuse IP näol ning see edastatakse hostile, kes pöördus lokaalse DNS serveri poole. Rekursiivse päringu puhul toimub vastuse saamine järgmiselt: host loob päringu lokaalsesse DNS serverisse->lokaalne server edastab päringu juurserverisse->juurserver nimeserverisse->nimeserver autoratiivsesse->ja siis liigub vastus sama teed mööda tagasi päringu koostajani.
Vastuste kiiremaks kättesaamiseks ja serverite koormuste vähendamiseks kasutatakse cahce’mist. Cache’ mise puhul jätab lihtsalt (ükskõik milline) DNS server vastused meelde ja kustutab need kui TTL (time to live ) aegub. Näiteks lokaalsed DNS serverid cahce’vad pidevalt nimeservereid ja sellepärast juurserveritele päringuid tihtipeale ei edastatagi. DNS-i andmebaasis hoitakse igasuguseid kirjed ning need talletatakse RR ( Resource Record ) formaadis. RR formaat = (nimi, väärtus,kirje tüüp, TTL)
Kirjete tüübid:
A-kirje – nimeks hosti nimi ja väärtuseks IP-aadress
NS-kirje – nimeks domeen ja väärtuseks autoratiivse DNS serveri hostinimi, kes teab antud domeeni hoste.
CNAME -kirje – nimeks on hosti nime alias ja väärtuseks hosti tegelik nimi.
MX-kirje – nimeks meili serveri hosti nimi ja väärtuseks selle hosti tegelik meili serveri nimi.
DNS-i sõnumi sisu võib olla nii päring kui vastus teiselt DNS serverilt ning neid talletatakse samas formaadis ja eristatakse ühebitise flagi abil – päringu puhul 0 ja vastuse puhul 1. Esimesed 12 baiti on mitme väljaga päis, siis päring, vastus, info autoritatiivsete serverite kohta ja lisainfo.
17. Töökindel andmeedastus
Töökindel andmeedastus on oluline rakenduskihi, transpordikihi ja kanalikihi jaoks. Töökindel kanal tagab selle, et ükski bit ei lähe kaduma ega ei muundu ja kõik bitid saabuvad kohale selles järjekorras, millises nad saadeti. Töökindla andmeedastusprotokolli ülesanne on implementeerida sellist andmeedastust kanali kaudu, kuid see võib tihti peale osutuda päris keerukaks, sest kiht, mis on töökindla andmeedastusprotokolli all ei pruugi olla töökindel (näiteks füüsiline - ja võrgukiht pole töökindlad). Edaspidi keskendume ainult ühesuunalisele andmeedastusele ja saatja ning vastuvõtja ning nende operatsioonide kindlaks tegemiseks kasutame FSM-i (Finite-State Machine ).
Rdt 1.0 – see on suhteliselt triviaalne , sest me eeldame, et alumise kihi andmeedastus on töökindel s.t bite ei lähe kaduma, pakette ei lähe kaduma. Saatjal ja vastuvõtjal on erinevad FSM-d: Rakenduselt tulevad andmed. Saatja saadab andmeid alumisele kihile, vastuvõtja võtab vastu andmeid alumiselt kihilt.
Rdt 2.0 – realistlikum, sest alumise kihi andmeedastamisel ja vastuvõtmisel võib andmeid kaotsi minna. Et sellisel juhul hakkama saada on vaja ARQ ( Automatic Repeat reQuest) protokolli. ARQ protokoll suudab: 1) Avastada vigasid (checksumi abil) 2)Vastuvõtja puhul suudab anda tagasisidet (ACKi ja NAKi näol) 3)Uuesti sooritada andmeedastust. Näiliselt veatu protokolli puhul on aga suur viga, mis siis teha kui ACK või NAK on vigased?
Rdt 2.1 – igale saatja poolt saadetavale paketile lisatakse ka järjekorra number. See välistab pakettide dubleeringu küll, aga võib vastuvõtja saada samasuguste andmetega pakette. Kui saatja saab kätte ACK-i, siis lõpetab ta andmete saatmise. Vastasel juhul saadab ta samasuguseid pakette ja suurendab koguaeg järjekorranumbrit.
Rdt 2.2 - erinevus 2.0-ga on see, et NAK-e ei saadeta. Selle asemel pannakse igale ACK-le külge selle paketi järjekorranumber, mis viimati kätte saadeti. Nii on teada, et kui kaks korda sama järjekorranumbriga ACK-i tuleb, siis viimati saatja poolt saadetud paketti vastuvõtja kätte ei saanud (sest ACK tähendab ju viimase kätte saadud paketti korrasolekut. Kui ACKe tuleb saatjale kaks samasugust, siis need peavad olema eelviimase kohta, sest viimase kohta on saadetud ainult üks ACK, mis kinnitab eelviimase korrasolekut). Kuid ka see ei ole veel veatu protokoll, sest mida teha siis kui paketid kaduma lähevad?
Rdt 3.0 – saatja ootab teatud aja kui ta ei ole saanud kätte ei ACKi ega NAKi, siis saadab ta paketi uuesti.
Rdt protokolli suureks puuduseks on see, et see on wait -and-stop protokoll, mis tähendab seda, et enne uue paketi saatmist oodatakse vastus ära selle kohta, kas eelmine pakett jõudis kohale. Mis omakorda tähendab seda, et enamus ajast kulub ootamisele, mis on väga suur ressurssi raiskamine.
18. Go- back -n
Go-back-n (GBN) protokoll lubab saatjal pakette saata ilma, et ta peaks ACK-e ootama. Küll, aga võib ilma ACK-ita paketti saatjal olla mitte rohkem kui N tükki.
Defineerime mõned muutujad:
base - kõige vanem ja kinnitamata pakett
nextseqnum - järgmine saadetav pakett
window size – pakettide arv, mis on võimalik saata ilma kinnitust (ACK-i) saamata
Nõnda saame, et paketid vahemikus [0;base-1] on paketid, mis on saadetud ja kinnituse saanud. Paketid vahemikus [base;nextseqnum-1] on paketid, mis on saadetud, aga pole kinnitust saanud. Paketid vahemikus [nextseqnum;base+N-1] on pakettide arv, mis on veel lisaks saadetud pakettidele võimalik teele panna ilma kinnitust saamata. Paketid, mis tulevad peale base+N paketti on need paketid, mida ei saa veel teele panna enne kui ühtegi ACK’i pole juba saadetud paketi kohta tulnud. Kui base’i kohta tuleb ACK nihkub window size edasi ja uus window size on vahemikus [base+1;base+N], mis võimaldab omakorda panna ühe uue paketi teele. Taimerit kasutatakse antud juhul ainult base’i jaoks. Kui timeout tuleb, siis hakatakse saatma kõiki pakette uuesti alates base’st. Tähtis on ära märkida, et saatja võtab ülemiselt kihilt vastu andmeid ainult siis kui aken ei ole täis (s.t ei sisalda N paketti). Kui vastuvõtja saab paketi korralikult kätte, siis saadab ta vastu ACKi selle järjekorranumbriga. Vales järjekorras paketid heidetakse kõrvale (s.t, et enne kui pakett 2 pole kätte saadud ei võeta vastu pakett 3-e). Selline lähenemine teeb vastuvõtja töö tunduvalt lihtsamaks, sest tema peab siis meeles pidama ainult seda, mis paketti järmisena peaks tulema (expectedseqnum). Probleem on selles, et kui window size on väga suur ja samuti pakettide kohalejõudmiseks kulub palju aega, siis ühe paketti saatmise ebaõnnestumine võib põhjustada hästi paljude pakettide uuesti saatmist, mis tegelikult poleks vajalik.
19. Selective-repeat
Selective-repeat (SR) protokolli puhul saadab saatja ainult need paketid uuesti, mis olid vigased, mitte kõik alates vigasest pakettist (nagu GBN puhul). Vastuvõtja saadab ACK’i vastu kui pakett korrektselt kohale jõuab hoolimata sellest, kas see pakett on järjekorras järgmine (järgmise järjekorra numbriga kui eelmine) või mitte. Et see kõik toimiks peab olema ka igal paketil oma taimer nii, et timeout’i puhul saadetakse ainult üks pakett uuesti. Selle protokolli puhul on ka ühtlasi vastuvõtja puhverdamine keerulisem. Window size peab olema selle protokolli puhul vähemalt poole väiksem kui suurim järjekorranumber, muidu võib tekkida paketi kordussaatmine või saadetakse juba uus pakett.
20. TCP ühenduse loomine ja sulgemine
Kõigepealt teatab esimese hosti ( nimetame edaspidi esimest hosti kliendiks, sest tema initsiatiivil alustati ühenduse loomist) rakenduskihi programm transpordikihile läbi sokli, et ta tahab luua ühendust mingisuguse teise hostiga (nimetame edaspidi teist hosti serveriks). Selleks on vaja hosti nime ja pordi numbrit. Pärast seda kui need on kätte saadud alustab transpordikiht TCP ühenduse loomist, mis toimub järgnevalt:
1)Kliendi poolne TCP saadab erilise TCP segmendi serverile - selles segmendis pole mingisuguseid rakenduskihi andmeid. SYN bit pannakse headeris üheks (sellepärast kutsutakse seda segmenti SYN segmendiks). Transpordikiht genereerib suvalise numbri järjekorranumbriks (sequence number) ja paneb selle headeri sequence number väljale. See segment kapseldatakse IP datagrammiks ja saadetakse serverile.
2)Kui server saab datagrammi kätte, siis teeb server selle uuesti TCP SYN segmendiks ning töötleb selle headeri muutujaid ja saadab kliendile tagasi uue ’ connection granted’ segmendi – SYN paneks uuesti 1-ks, acknowledgment väljale väärtus, milleks on järjekorranumber+1 ja server genereerib enda sequence numberi ja paneb selle sequence number väljale (SYNACK segment).
3)Kui klient saab segmendi kätte töötleb ta samuti segmendi headeri muutujaid ning saadab serverile uue segmendi, milles SYN bit on 0 (ühendus on saavutatud), järjekorranumbriks on kliendi järjekorranumber+1 ning acknowledgement väljal on serveri järjekorranumber+1.
Kui klient tahab sulgeda ühendust, siis saab see alguse sellest, et ta saadab serverile segmendi, kus FIN bit on 1 ning jääb ootama serveri poolset vastust, et ta on nõus ühendust sulgema (läheb FIN_WAIT_1 seisundisse). Kui ta saab selle vastuse (läheb FIN_WAIT_2 seisundisse), siis jääb ta ootama vastust, et server on sulgenud ühenduse. Selles serveri poolt saadetavas segmendis peab FIN bit samuti 1 olema. Kui see segment ka tuleb kohale (TIME_WAIT), siis saadab klient ka omapoolse lõpetamismärguande, et ühendus on lõpetatud.
21. TCP töökindel andmeedastus
TCP (transpordikihi tasemel) tagab töökindla andmeedastuse mitte-töökindla IP (võrgukihi tasemel) teenuse peale. TCP muretseb selle eest, et vastuvõtja buffris poleks segmendid vigased, dubleerimata, oleks õiges järjekooras jne. TCP töökindel andmeedastus töötab üldjuhul järgnevalt: Transpordikiht, saab rakenduskihilt andmeid ning TCP kapseldab andmed segmentideks ja annab siis segmendid omakorda edasi võrgukihile, kust võtab IP üle. Kui taimer juba ei jookse ja on mõni ilma ACK-ita segment, siis TCP paneb taimeri tööle. Kui tuleb timeout, siis saadetakse see segment uuesti, mis põhjustas timeout-i. Kui saadakse ACK kätte, siis vaadatakse selle ACK-i väljaväärtust. Kui see väljaväärtus on suurem kui viimane ilma ACK-ita (unacknowledged) segment, siis sellest võib TCP välja lugeda, et kõik andmed enne seda serverilt tulnud ACK-i on kätte saadud. Näited: 1)Kui vastuvõtja saadetud ACK pakett läheb kaduma , siis tänu timeout-le saadab saatja paketi lihtsalt uuesti 2)Kuna kell pannakse käima kõige vanema ilma ACK-ita segmendi jaoks siis saadetakse alati ainult kõige vanem pärast timeout-i uuesti. See on hea, sest kui ACK-id segmentide kohta jõuavad hiljem kohale kui timeout otsa saab (eriti hea kui ACK-id suhteliselt koos tulevad), siis näiteks 2 või rohkema paketi saatmise puhul saadetakse serverile ainult üks (kuigi seda poleks vaja, sest ACK-id on olemas, lihtsalt pole veel kohale jõudnud) mitte kõik paketid, mille ACK-e pole kohale jõudnud. Ning kui sellel ajal jõuavad ACK-id kohale, siis saadetakse kõige suurema väljaga ACK-i järjekorranumbriga segment uuesti. Ei koormata võrku üleliigselt!!! 3)Kui saadetakse 2 paketti ja esimese paketi ACK ei jõua kohale, aga teine jõuab, siis pole vahet. Sest on teada, et esimene saadi ka kätte kuna esimese paketi ACK>teise paketi ACK.
22. TCP taimerid
Taimer on võetud kasutusele selleks, et hakkama saada ebaaktiivsusega vastuvõtja poole pealt. Kui oodatakse vastuvõtja poolt mingit tegevust, siis saatja paneb tööle taimeri. Näiteks retransmission timer mõõdab aega, mille möödudes pakett uuesti saadetakse. See aeg ei tohiks olla liiga lühike, sest see tooks kaasa ebavajalikud korduvsaatmised. Ning samuti ei tohiks see olla ka liiga pikk, sest see tooks ebavajaliku delay ja aeglase reaktsooni paketi kadudele. Aja seadmiseks võetakse arvesse mitmeid asjaolusid. Mõned kasutatavad definitsioonid: SampleRTT’d (aeg segmendi saatmisest ACKi saamiseni), EstimatedRTT’d ( Round Trip Time’de keskmestatud väärtus) ja peale selle lisatakse tavaliselt ka väike lisaaeg.
Taimereid on 7:
1)Connection-establishment timer – pannakse jooksma kui SYN segment saadetakse TCP ühenduse loomiseks. Kui 75 sekundi jooksul vastust ei tule, siis ühendust ei looda.
2)Retransmission timer – pannakse jooksma kui pakett pannakse teele. Kui seatud aja möödudes ACK’i ei tule, siis saadetakse pakett uuesti (vt ülevalt poolt).
3)Delayed-acknowledgement timer – pannakse jooksma kui vastuvõtja saab kätte paketi, millele on vaja ACK vastu saata. Kestab umbes 200ms. Kui selle aja jooksul tuleb veel pakette, siis ACK’itakse kõik pakettid ühe ACK’iga.
4)Persistence timer – pannakse jooksma kui vastuvõtja saadab saatjale ACK’i, milles märgib ära, et vaba buffri suurus (Receive Window) on null. Selleks, et saatja saaks pakette edukalt saata, peab akna suurus olema suurem kui null. Sellepärast ootab saatja, et vastuvõtja saadaks talle uue ACK’i, milles ta märgib ära, et akna suurus on suurem kui null. Kui seda taimeri aja jooksul ei tule, siis saadab saatja probe ’i suurusega 1 byte ja see probe ACK’itakse saatja poolt. Protsess kordub seni kuni mingi aja möödudes vastuvõtja buffer tühjeneb ja ACK’ide sisudes on märgitud, et vaba buffri suurus on suurem kui null.
5) Keep - alive timer – aegub mingi aja möödudes (tavaliselt umbes 2 tunni aja möödudes) ja siis saadab spetsiaalse segmendi teele, kontrollimaks , kas ühendus on ikka üleval.
6)FIN WAIT 2 timer
7)TIME WAIT timer
23. TCP voo juhtimine
Selleks, et vastuvõtjat mitte ülekoormata on vajalik voo juhtimine. Selleks, et voogu juhtida on vajalik kontrollida koguaeg ühte välja nimega Receive Window, mis annab aimduse sellest kui palju on vastuvõtjal vaba ruumi buffris. Selleks, et ülekoormus ei tekiks arvutab saatja koguaeg kui palju tema andmetest on ACK’imata ja see peab olema väiksem kui vastuvõtja Receive Window. Selleks, et see töötaks korralikult on vajalik Persistence timer, mis tagab koguaeg ühenduse vastuvõtjaga.
24. TCP koormuse juhtimine
Selleks, et võrku mitte üle koormata pakettidega on vajalik koormuse juhtimine. TCP edastutuskiirus on funktsioon, mis sõltub võrgu koormusest. Kui koormus on liiga suur, siis edastuskiirus viiakse madalamale ja vastupidi. Et see niimoodi saaks toimida on vajalikud kolm elementi:
1)TCP saatja poolel peab oskama reguleerida edastuskiirust – TCP puhul on nii saatja kui vastuvõtja poolel koormuse aken (congestion window), millest ACK’imata andmete hulk ei tohi suurem olla. See tähendab koormuse akna suuruse ja ACK’imata andmete põhjal oskabki TCP saatja poolel reguleerida edastuskiirust.
2)TCP saatja poolel peab saama infot selle kohta, milline on koormus võrgus – infot saab selle kohta siis kui paketti retransmission taimer saab otsa või kui lihtsalt tulevad dubleeritud ACK’id, mis viitavad sellele, et viimati kätte saadud pakett saaja poolel ei ole see, mis saatja välja viimasena välja saatis.
3)TCP peab kasutama võimalikult head algoritmi , mis reguleerib edastuskiirust – algoritm koosneb kolmest tähtsast komponendist:
*täiendav suurendamine ja mitmekordne vähendamine (additive- increase , multiplicative- decrease ) – idee seisneb selles, et koormuse akent (Congestion Window) vähendatakse saatja poolel poole võrra kui ilmnevad pakettide kaod. Kui, aga saadakse ACK’e siis suurendatakse vähehaaval koormuse akna suurust.
*aelgane algus ( slow start) – alustatakse sellest, et määratakse väike koormuse akna suurus (näiteks 1 maksimaalne segmendi suurus) ja siis suurendatakse seda väärtust eksponsentsiaalselt pärast iga Round Trip Time’i. Kui esineb esimene paketti kaotus, siis jagatakse see kahega ja koormuse aken suureneb lineaarselt.
*reaktsioon timeout’idele (reaction to timeout events ) – tegelikult reageeritakse natuke teistmoodi (mitte lihtsalt koormuse akna kahega jagamine ja lineaarselt suurenemine) kui esineb paketi kaotus või mitme samasuguse ACK’i saabumine saatjale. TCP’l on olemas üks muutuja nimega Threshold, mis määrab kindlaks koormuse akna suuruse. See tähendab, et kui esineb paketi kaotus, siis tegelikult hakatakse uuesti peale slow start’iga ja suurendab oma väärtust eksponentsiaalselt seni kuni jõutakse Threshold’i väärtuseni, siis suureneb koormuse aken lineaarselt.
25. UDP
Esimene aspekt, mille poolest erineb UDP TCP’st on see, et UDP puhul ei toimu handshaking protsessi ja toru kahe hosti vahel ei looda (connectionless transport). See tähendab omakorda seda, et UDP peab panema vastuvõtja aadressi (s.t. IP ja pordi numbri) segmendi külge ja seda peab ta tegema iga segmendi puhul. UDP puhul ei saa me rääkida töökindlast andmeedastusest, mis tähendab, et segmentide kohalesaabumine pole garanteeritud. Peale selle ei tegele UDP ka voo kontrolliga. UDP pakub täpselt nii palju teenuseid kui vaja, s.t. et ta pakub ainult multipleksimist ja demultipleksimist ning vigade avastamist segmendi headerites. Multipleksimine kujutab endast sisuliselt seda, et transpordi kiht võtab vastu andmetükid, mis tulevad läbi protsessi soklite ja paneb igale tükile külge headeri ning loob sellest segmendi. Demultipleksimine toimub siis vastavalt vastupidi, s.t. et transpordi kiht võtab segmendid vastu, mis tulevad võrgukihilt, töötleb headereid ja saadab need edasi soklitesse. Pärast multipleksimist võtab võrgukiht segmendi vastu, teeb sellest datagrammi ja annab oma parima (best-effort), et toimetada see vastuvõtjale. See toob omakorda kaasa selle, et pakettid võivad minna kaduma või siis saabuvad vastuvõtjale vales järjekorras ning siin tulebki mängu vigade avastamine ja kontroll. Transpordi kiht paneb kaasa checksumi headerisse, et vigasid avastada, aga neid ei parandata.
26. Datagrammvõrgud ja virtuaalahelatega võrgud
Analoogselt transpordikihiga pakub ka võrgukiht ühendusele orienteeritud (handshaking) ja ühenduseta (ilma handshaking’uta) teenust. Kuid siiski on võrgukihi puhul mõned erinevused:
1)Võrgukihi teenused on hostide vahelised ja nad pakuvad teenuseid transpordikihile, kuid transpordikihi teenused on protsesside vahelised ja nad pakuvad teenuseid rakenduskihile.
2)Võrgukihid pakuvad ühendusele orienteeritud VÕI ühenduseta teenuseid, aga mitte mõlemaid korraga. Arvutivõrgud, kus me näeme võrgukihi tasemel ühendusele oritenteeritud võrke nimetatakse virtuaalahelatega võrkudeks ja selliseid võrke, kus on võrgukihi tasemel ühenduseta võrgud, nimetatakse datagrammvõrkudeks.
3)Ühendusele orinteeritud teenus toimib võrgukihi tasemel teistmoodi kui transpordi kihi tasemel. Näiteks transpordi kihi tasemel nägime, et ühendusele orinteeritus implementeeritakse lõpp-punktides olevate süsteemide poolt, aga võrgukihi tasemel implementeeritakse see lõpp-punktide vahel olevates ruuterites ja ka lõpp-punktides.
Virtuaalahelatega võrgud – kasutavad virtuaalahelaid, et kaks otspunkti omavahel ühendada.
Virtuaalahelad koosnevad:
1)teekonnast, mis on lihtsalt ühenduslülide ja ruuterite jada
2)numbritest, mis tähistavad ära iga lingi teekonnal
3)sissekannetest marsruutimistabelites
Toimib see järgnevalt: Luuakse kanal (VC setup), saadetakse andmed (data transfer) ja pannakse kanal kinni (VC teardown). Pakett, mis mööda kanalit liigub omab Virtuaalahela numbrit oma header’is, mis muutub iga lingi juures. Numbri muutmise viib läbi ruuter, kellel on tabel, mille alusel ta numbrit muudab. Samuti hoiavad ruuterid ühenduste informatsiooni, s.t. et kui uus ühendus luuakse, siis lisatakse ka uus kirje tema tabelisse ja vastupidi kustutamise puhul. Erinevus transpordikihi ja võrgukihi kanali loomise vahel on see, et võrgukihi puhul on ruuterid otseselt ka kaasatud ühenduse loomisesse, vastupidiselt transpordi kihile, kus ühenduse loomisesse on kaasatud ainult lõpp-punktid.
Datagramm võrgud – erinevalt virtuaalahelatega võrkudest ei looda siin mingisugust kanalit ja ruuterid ei tea mingit infot virtuaalahelate kohta (sest neid lihtsalt pole). Kui pakett pannakse teele, siis iga ruuter, mis jääb tee peale vaatab vastuvõtja aadressi ja paneb selle kokku oma tabelis oleva lingi liidesega. Ruuteri tabelid ei hoia mitte kõiki IP’sid, mis maailmas on vaid sisuliselt hoiavad nad IP’de vahemikke. Vahe virtuaalahela võrguga on ka see, et datagramm võrgu puhul võivad pakettid läbida erineva teekonna.
27. Marsuutimine
Võrgukiht peab otsustama, millise teekonna pakettid läbivad. Marsruutimisprotokolli eesmärk on tuvastada „hea“ tee alguspunktist lõpp-punkti. Headuse mõõtmine võib käia mitme mõõtme järgi, näiteks hinna, usaldusväärsuse, teekonna pikkuse, delay’de jms järgi. Marsruutimine koosneb kahest põhilisest komponendist: optimaalse marsruutimisteekonna kindlaksmääramine ja pakettide transport. Kui pakettide transport võib olla üsnagi triviaalne, siis marsruutimisteekonna kindlaks tegemine võib olla jällegi vägagi keeruline. Teekonna teevad kindlaks ja arvutavad välja marsruutimisalgoritmid.
Tee määramiseks kasutavad algoritmid marsruutimistabeleid, mis sisaldavad algoritmist sõltuvat marsruutimisinformatsiooni. Selleks, et info tabelites oleks asjakohane suhtlevad ruuterid ka omavahel marsruutimisvärskenduse (routing update) sõnumite ja lingi oleku kuulutuse ( link state advertisement) sõnumitega Marsruutimisprobleemidega tegelemiseks kasutatakse tihtipeale ka graafe.
28. Link state marsruutimisalgoritm
Selle algoritmi puhul on terve võrgu topoloogia ja linkide hinnad teada ehk siis nad on sisendiks Link State marsruutimisalgoritmile. Teoorias on see see saavutatav nõnda, et iga ruuter saadab endale teadaoleva info ruuterite ja lingi hindade kohta kõigile teistele laiali. Praktikas on see saavutav näiteks Link-state broadcast algoritmiga . Järgnev link state algoritm on tuntud kui Dijkstra algoritm ja töötab see nõnda: Graafi tipp, millest alustatakse, märgib endale üles tee hinnad otseste naabriteni. Kui otsesed naabrid ei olda, siis märgitakse hinnaks lõpmatus. Järgmisena pöördutakse naabri poole, kelleni oli tee kõige odavam. Vaadatakse üle tema otsesed naabrid ning kui mõni tee oli lühem, kui eelmise naabri juurest, siis märgitakse see endale üles ning jäetakse meelde, et selle tipu kaudu oli sinna odavam minna. Kallimaid asju üles ei märgita. Ning jätkatakse samal põhimõttel, kuni on teada lühimad teed alguspunktist teistesse punktidesse.
29. Distance vector marsruutimisalgoritm
Omadused: Iteratiivne (jätkub kuni ükski sõlm infot ei vaheta), ise-lõpetav (ei ole mingit signaali, mis selle seisma paneks), asünkroonne (sõlmed ei pea ühes rütmis töötama), jagatud (iga sõlm vahetab ainult oma naabrite vahemaade hinnanguid teiste sõlmedega). Distance vectori marsruutimisalgoritm põhineb Bellman- Ford võrrandil, mis on järgnev:
dx(y)=minv<
See tähendab sisuliselt seda, et kõigepealt minnakse x’st v’sse (v on mingi suvaline naaber) ja siis vaadatakse v minimaalset kaugust y’sse. Kõige lühem tee on üle kõigi naabrite v minimaalne kaugus y’sse.
Distance vectori algoritm töötab nõnda: Aeg-ajalt saadavad sõlmed üksteisele distance vectoreid (distance vector Dx on selline vektor, milles on maksumuste hinnangud x’st kõigisse teistesse sõlmedesse) ja kui x saab kätte uue distance vectori, siis uuendab ta enda distance vektorit analoogselt Bellman-Fordi võrrandiga:
Dx(y)=minv<
Ja kui x’i distance vector muutus, siis saadab ta selle laiali ka oma naabritele ning protsess kordub seni kuni sõlmed vahetavad üksteise vahel vektoreid.
30. Hierarhiline marsruutimine
Link State ja Distance Vector marsruutimisalgoritmid on liiga lihtsakoelised selles mõttes, et nendes algoritmides ruuterid realiseerisid sama algoritmi ja reaalsuses on ruutereid nii palju, et kui kõik vahetaks omavahel nõnda infot nagu see toimis nende algoritmide puhul siis ei jääks ruumi andmevahetuseks ja samuti oleks administreerida iseseisvalt mingit võrku võimatu. Sellepärast on ruuterid jaotatud autonoomsetesse süsteemidesse (autonomous systems – ASs), kus igas süsteemis ruuterid teavad üksteise kohta infot ja realiseerivad ruuterid sama algoritmi ning samuti on igas süsteemis on ühel või rohkemal ruuteril ülesanne saata pakette väljaspoole AS’i. Neid nimetatakse gateway ruuteriteks. Kõik gateway ruuterid realiseerivad sama protokolli, et nad oskaks üksteisega suhelda ja kõigil gateway ruuteritel on piirkonna sisesed ja piirkonna välised ruutimistabelid.
Hierarhilise marsruutimise eelisteks on marsruutimisvärskenduse sõnumite liikluse vähenemine ja marsruutimisprobleemi jagamine väiksemateks probleemideks.
31. IP aadress ja MAC aadress, ARP
IP aadress on võrgukihi aadress ning neid on tänapäeval kahte tüüpi IPv4 ja IPv6 (vt alt poolt).
MAC aadress on kanali kihi aadress, mis on igal arvutil ja ruuteril on need ROM’is read-only’na olemas. See tähendab, et see püsib arvutil muutumatuna terve tema elutsükli jooksul. Koosneb see 6-st baidist ja neid väljendatakse kuueteistkümnend süsteemis. Kui adapter saadab mingi kaadri , siis lisab ta otspunkti MAC aadressi päisesse ja paneb selle teele. Iga arvuti, kes selle kätte saab, kontrollib, kas see on tema MAC või mitte.
ARP (address resolution protocol) võtab sisse IP aadressi ja annab välja MAC aadressi. Seda on vaja kui saatja on juba DNS’ilt saanud teada vastuvõtja IP ning siis annab ARP vastavalt IP’le õige MAC aadressi. ARP töötab mõnes mõttes analoogselt DNS’iga, kuid oluline erinevus on see, et kui DNS annab hosti IP aadressi terve interneti võrgu piires, siis ARP suudab anda MAC aadressi ainult alamvõrgu piires. Kui host tahab saata paketti kellegile, kelle MAC aadressi ARP’i tabelis pole, siis host teeb alguses ARP paketi, mis saadetakse kõigile alamvõrgus olevatele sõlmedele kui ilmneb, et sõlm teab vastust, siis saadab ta ARP paketi tagasi saatjale. Kui saatja tahab saata paketti väljaspoole oma alamvõrku, siis alguses saab ta ARP’i abil kätte alamvõrgu ruuteri MAC’i ja saadab paketi alamvõrgu ruuterile. Peale seda saab ruuter ARPi abil kätte vastuvõtja MAC’i ning toimetab siis paketi teise võrku, kus on vastuvõtja arvuti.
32. DHCP
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) on protokoll, mis võimaldab lasta serveril dünaamiliselt hallata ja automatiseerida unikaalse IP-aadressi omistamist kohtvõrgu seademetele. Kutsutakse ka „plug-and-play protocol“-iks. See on väga hea protokoll administraatorile, sest muidu peaks ta IP’d manuaalselt määrama ise. DHCP’d saab konfida nii, et see omistaks hostidele jäävad või ajutised IP aadressid (tavaliselt kasutatakse ajutisi, sest IP’de arv on teadupoolest piiratud). Oma dünaamilisuse ja automaatsuse tõttu on see protokoll väga laialt levinud, sest tänapäeval inimesed pidevalt liituvad ja lahkuvad erinevates võrkudes. Protsess näeb välja nõnda:
1)Kui võrku tuleb uus host, siis esimese asjana ta peabki üles leidma DHCP serveri võrgus ja seda otsingut saab ta teostada DHCP discover message’ga, mis saadetakse UDP pakettina pordile 67. Host koostab vastava IP datagrammi ja paneb sinna külge ka broadcast’i aadressi 255.255.255.255 ja enda aadressi 0.0.0.0 ning saadab selle kanali kihile, mis loob kaadri ja paneb oma korda külge MAC’i broadcast aadressi FF-FF-FF-FF-FF-FF. Pärast seda läheb läheb kaader võrku ja kõik hostide adapterid näevad seda, sellepärast saabki see kaader ilusti DHCP serverini toimetatud. Discover message’il on küljes ka üks ID, mille järgi saavad DHCP serverid vastuseid luua ja mille järgi host need vastused ära tunneb.
2)Kui DHCP server saab discover message’i kätte, siis vastab ta enda poolse DHCP offer message’ga. Kui DHCP servereid on mitu, siis võib olla ka offer message’eid mitu, millel kõigil on küljes see discover message’ist saadud ID. Peale selle sisaldavad offer message’id ka pakutavat IP’d, võrgu maski ja IP aadressi eluea pikkust.
3)Pärast seda kui server on vastuse saatnud, saadab host DHCP request paketi, milles ütleb ta serverile, et on tema pakutud offer mesagge’i kätte saanud ja tema IP edukalt vastu võtnud.
4)Selle peale vastab server DHCP ACK’iga, millega ta näitab, et sai hosti sõnumi kätte ja tema parameetrid on edukalt kinnitatud.
33. NAT
NAT ( Network Address Translation ) on sisuliselt võrguaadressi ümbernimetamine. Oletame, et meil on näiteks üks väike organisatsioon alamvõrgu IP aadressidega 10.0.0.0/24 ning oletame, et organisatsiooni arvutitel on ainult privaatsed IP’d s.t. et välismaailmale on need IP’d registreerimata või ei ole vähemalt registreeritud kui selle konkreetse organisatsiooni IP’d. NAT ruuter näib välismaailmale kui üks IP ja kõik liiklus, mis tuleb selle organisatsiooni alamvõrku käib läbi NAT ruuteri IP ja kõik organisatsiooni IP’d lähevad välja ühe ja sama NAT ruuteri IP’na. Üldiselt saab NAT ruuter ise oma võrguaadressi ISP DHCP’lt ning jooksutab ka ise DHCP serverit jagades siis välja IP’sid enda alamvõrku. Protsess näeb välja nõnda: Kui sisevõrgust saadetakse pakett välisvõrku, siis kõigepealt liigub see pakett sisevõrgu NAT ruuterisse, mis suhtleb välismaailmaga. NAT ruuter loob enda NAT translation tabel’ isse sellise IP ja pordi paari, mida seal veel ei ole. Asendab need paketis ära ja lisab need tabelisse ning siis saadab paketti välja. Vastuvõtja teeb oma tegevused paketiga ära ja saadab paketi NAT’ile tagasi ning NAT vaatab oma tabelist jälle, milline sisevõrgu IP ja port vastasid sellele IP’le ja pordile, mis ta enne paketti source’s ära muutis ja saadab siis paketi sisevõrku õige IP ja pordiga arvutile.
34. Marsruutimisprotokollid RIP, OSPF ja BGP
RIP – Routing Information Protocol – kasutab Distance Vector algoritmi. Marsruuterid vahetavad distantsvektoreid iga 30 sekundi tagant (saadetavaid teateid nim advertisementideks, neid saadetakse UDP pakettidena). Iga advertisementiga antakse edasi marsruut kuni 25 sihtvõrguni. Kui naabri käest 180 sekundi jooksul advertisementi ei saada, kuulutatakse naaber „ surnuks ” ning kõik marsruudid, mis käisid antud naabri kaudu, kehtetuks. Sel juhul (marsruutimistabel muutus) saadetakse kohe ka kõigile naabritele uued advertisementid ja naabrid saadavad need omakorda edasi ning teade mõne sõlme ülesütlemisest levib kiiresti üle kogu võrgu. RIPi kasutakse põhiliselt väiksemates võrkudes.
OSPF – Open Shortest Path First – kasutab Link State marsruutimisalgoritmi. Iga võrgusõlm teab kogu võrgutopoloogiat ning lühim tee punktide vahel leitakse Dijkstra algoritmiga. Suuremates võrkudes kasutatakse hierarhilist OSPFi, kus võrk on jagatud piirkondadeks (area), nii et Link State algoritm toimib ainult piirkondade piires ning iga piirkond on ühendatud võrgu tuumaga ehk „selgrooga” ehk magistraaliga (backbone area), kusjuures marsruutimine piirkondade vahel toimib ainult läbi magistraali. OSPF eelised RIPiga võrreldes: kõik OSPF teated on autentitud ,kasutatakse TCP protokolli (RIPis kasutati UDP-d), lubatud on mitu samaväärset (võrdselt lühikest) teed kahe punkti vahel (RIPis sai olla ainult üks lühim tee), toetab suuremaid võrke.
Kui RIP ja OSPF on nn Intra-AS (autonoomsüsteemi sisesed) marsruutimisprotokollid, siis järgmine - BGP (Border Gateway Protocol) on mõeldud autonoomsüsteemide vaheliseks marsruutimiseks (marsruutimine toimub ASide välislüüside (border gateway) kaudu). BGP on peamine ruutimisprotokoll Internetis. Igale ASile on antud unikaalne number, mille järgi see Internetis identifitseeritakse. BGP kasutab Path Vector marsruutimisprotokolli (sarnane Distance Vector protokolliga). Iga ASi välislüüs saadab naabritele informatsiooni kogu tee kohta sihtpunkti. Naaber saab siis otsustada, kas kasutab seda teed või mitte. BGP protokollis ei arvestata marsruudi leidmisel ainult lühimat teed, vaid määravaks võivad saada ka poliitilised ja majanduslikud põhjused (näiteks ei soovita teha marsruuti läbi konkurendi ASi). BGP teated liiguvad üle TCP protokolli.
35. Marsruuterid
Marsruuteri kaks põhilist funktsiooni on:
1)Marsruutimisalgoritmide ja protokollide töö tagamine
2)Datagrammide edasisaatmine sissetulevast kanalist väljuvasse
Iga ruuteri puhul saame rääkida neljast põhilisest komponendist, millest ta koosneb:
1)Input port – realiseerib füüsilise kihi, kanali kihi ja võrgukihi funktsioone.
2)Switching fabric – ühendab sisend- ja väljundpordid.
3)Output port – võtab pakettid, mis on talle saadetud sisendpordi poolt läbi switching fabricu ja edastab selle väljundkanalisse.
4)Routing processor – protsessor realiseerib protokolle, sisaldab ruutimisinformatsiooni ja tabeleid ning viib läbi erinevaid võrgufunktsioone.
Sisendpordi eesmärk on kõik sissetulevad datagrammid kinni püüda, leida datagrammi sihtaadressi järgi mälus olevast marsruutimistabelist sobiv väljundport ning saada pakett sinna edasi. Kui paketid saabuvad sisendisse kiiremini kui nende töötlemine aega võtab, siis jäetakse paketid mällu ootele (queueing). See tekitab viiteid ning kui mälu ( puhver ) täis saab, lähevad datagrammid kaduma. Ideaalsel juhul toimub pakettide töölemine võrgu kiirusel (ühtki paketti ei jäeta ootele).
Kommuteerimisel on kasutusel kolm meetodit:
1)Läbi mälu (kasutati vanades esimese põlvkonna ruuterites). Sisendpordi protsessor vaatab paketi üle ja kopeerib selle marsruuteri mällu. Sealt saadetakse pakett edasi väljundporti. Paketi liikumise kiiruse määrab mälu kiirus.
2)Mööda siini. Datagramm kantakse sisendpordilt väljundporti üle jagatud siini. Tunduvalt kiirem kui eelmine variant. Kiiruse määrab siinikiirus (näiteks mõnes Cisco ruuteris kasutatakse 1Gb/s siini).
3)Läbi interconnection networki (eestikeelset vastet ei tea; mõeldud on selliseid võrke nagu näiteks mitme protsessoriga süsteemides protsessorite omavaheliseks ühendamiseks kasutatakse). Kõige kiirem variant.
Väljundpordis kasutatakse samamoodi pakettide ootelejätmist (queueing), kui väljundi liini kiirusest ei piisa. Probleemid samad mis sisendi puhul (viide, andmekaod).
36. Ipv4 ja Ipv6
IP on võrgukihi protokoll, mis tegeleb loogilise adresseerimisega. IP’d on mõeldud võrguliideste tuvastamiseks (arvutitel on neid tavaliselt üks ja ruuteritel mitu).
IPv4 – iga IP on 32 biti (4 baiti) pikk ja seetõttu on aadresse kokku 232. IP aadress kirjutatakse kümnendnumbritega ja iga bait eraldatakse punktiga . InterNIC Registration Service registreerib internetiaadresse neljast klassist: A-klass), mis on mõeldud suurtele võrkudele ja toetab 16 miljonit hosti; B-klass), mis on mõeldud keskmise suurusega võrkudele ja toetab 65000 hosti; C-klass) on mõeldud väikestele võrkudele, kus on alla 256 hosti; D-klass) on mõeldud multiedastusvõrkudele. Aadress koosneb kahest loogiliselt osast: võrgu- ja hostiosast (kusjuures esimesed bitid näitavad ka aadressi klassi). Võrguosa identifitseerib alamvõrgu ja hostiosa identifitseerib konkreetse masina selles alamvõrgus. Näide: aadress 223.1.1.0/24 tähendab seda, et 24 esimest biti aadressist moodustab alamvõrgu aadressi ja viimased 8 bitti moodustab hosti aadressi. IP-datagrammi päises on kirjas IP-protokolli versioon, päise pikkus, datagrammi pikkus, lähte- ja sihtkoha ip-aadressid (source ja destination), time-to-live ehk datagrammi eluiga (maksimaalne läbitavate võrgusõlmede arv), fragmenteerimisinfo ja kontrollsumma. Päises võib olla veel ka muud lisainfot (näiteks saatmise aeg (timestamp) või natuke lisainfot marsruutimise jaoks), aga see pole kohustuslik.
IPv6 – loomise põhjuseks on see, et IPv4 aadressid hakkasid otsa saama. IP on selle versiooni puhul 128 biti pikk ja seetõttu on aadresse kokku 2128. IPv6 kasutab fikseeritud 40 baidi pikkust päist ja keelab ära fragmenteerimise. Päise formaat peaks kiirendama pakettide töötlust ja edastamist (hõlbustab QoS kasutamist). Võrreldes IPv4’ga on veel ära kaotatud kontrollsumma ja pakettidele on võimalik määrata prioriteete.
Üleminek IPv4-lt IPv6-le – kõiki ruutereid pole võimalik ära uuendada. Nende standardite ühendamiseks on kasutusel kaks meetodit:
1) dual stack – osad ruuterid (Ipv6 ja Ipv4 võrgu vahelülid) saavad aru nii v4 kui v6 pakettidest ning oskavad ühte teiseks ümber teisendada. Niimoodi liigub pakett osa teekonnast Ipv6 paketina ja osa Ipv4 paketina.
2)tunneling – kui Ipv6 pakett jõuab võrguossa, kus kasutatakse Ipv4 protokolli, siis spetsiaalne ruuter Ipv6 võrgu „ serval ” paneb Ipv6 paketi Ipv4 võrgus edastamiseks Ipv4 paketi sisse ja edastatakse nagu tavalist Ipv4 paketti. See tähendab, et Ipv4 võrgus käiakse Ipv6 paketiga ümber nagu suvaliste andmetega Ipv4 paketis. Teisel pool pannakse Ipv6 pakett taas kokku. Seda võib vaadelda kui Ipv6 tunnelit läbi Ipv4 võrgu.
37. Vigade avastamine ja parandamine, CRC
Vigade avastamiseks ja parandamiseks lisatakse edastatavale koodile mingi lisainformatsioon. Kõige lihtsam veaavastus toimub paarsusbiti abil (näitab, kas andmetes olev ühtede arv on paaris või paaritu). Paarsusbiti abil on võimalik tuvastada ühekordseid vigu (kui kaks bitti on valed, siis paarsusbitt viga ei näita) ning vigade parandamiseks paarsusbitt piisavalt informatsiooni ei anna. Keerulisemad veaavastuskoodid on nn kontrollsummad. Nende põhimõte seisneb selles, et andmebittide alusel arvutatakse mingi kindla algoritmi abil välja üks kontrollkood, mis pannakse paketiga kaasa. Seejärel arvutab paketi vastuvõtja uuesti sama koodi välja ja kui see erineb saadud kontrollsummast, on pakett vigane . Kontrollsumma eelis on see, et korraliku algoritmi ja piisavalt pika kontrollsuma puhul on väga raske (peaaegu võimatu) teha kahte erinevat paketti, millel oleks sama kontrollsumma. Seega võib üsna kindlalt väita, et kui kontrollsummad klapivad, on pakett korrektne. Kõige levinum veaavastustehnoloogia on CRC – Cyclic Redundancy Check . CRC arvutamisel kasutatakse 16- või 32-bitist polünoomi (generaator), mida teavad nii saatja kui vastuvõtja (see polünoom on standardiga määratud). Saatja poolel tekitatakse selline CRC kood, et kui vastuvõtja jagab andmebitid koos neile järgnevate CRC bittidega (CRC bitid lisatakse andmebittide järele noorimateks bittideks. Näiteks kui andmed on 110011 ja crc on 10110, siis jagatavaks tuleb 11001110110. Tegelikkuses on nii andmed kui CRC muidugi pikemad .) läbi generaatoriga, peab jagamisel tekkima jääk 0. Kui tekib nullist erinev jääk, peab andmetes olema viga. CRC koodi arvutamine käib nii, et teostatakse samasugune jagamine, aga CRC koodi asemele (mida veel ei teata) pannakse andmete lõppu nii palju nulle kui pikk on CRC kood. Sel juhul tuleb generaatoriga jagamise jäägiks CRC kood ise.
38. Multipöördusprotokollid
Broadcast lingi puhul võib olla mitu saatvat ja mitu vastvõtvat sõlme, mis on ühe jagatud broadcast kanaliga ühendatud. Ethernet ja traadita LAN on head näited. Kuna sõlmi on võrgus palju, siis tekib probleem seoses sellega, et mida teha kui mitu sõlme tahavad korraga kaadreid saata? Sest siis tekib kollisioon ja vastuvõtjatest ei saa keegi aru, kes mida saatis. Multipöörduskrotokoll tegeleb probleemiga: kuidas koordineerida mitut sõlme, mis saadavad ja võtavad vastu sõnumeid ühelt broadcast kanalilt . Ehk siis protokoll määrab ära, kes saadab ja millal saadab.
Multipöördusprotokollid jagunevad kolmeks:
1) Kanali jaotamise protokollid (näiteks aja või sageduse järgi).
2) Juhupöördusprotokollid(lubatakse kokkupõrkeid (collisioneid), on olemas reeglid, mida teha põrke korral).
3) Kordamööda kasutamise protokollid (kanali jagamine on rangelt kontrollitud, et kokkupõrkeid vältida).
Kanali jaotamise (Channel Partitioning Protocols) protokollid:
TDMA (time division multiple access) – ajapõhine multipöördus. Iga saatja saab kindlaks ajavahemikuks kanali enda käsutusse, seejärel läheb kasutusõigus üle järgmisele. Pole väga efektiivne, kuna saatjad saavad oma osa kanalist ka siis, kui neil midagi saata ei ole, ning kasutamata aeg läheb raisku.
FDMA (frequency division multiple access) – sageduspõhine multipöördus. Kanal jaotatakse erinevateks sagedusvahemikeks, iga saatja edastab andmeid oma sagedusel teisi segamata. Samuti väheefektiivne, kuna sagedusvahemikud on alati saatjate käes, kuigi neil võibolla alati ei ole midagi saata.
CDMA (code division multiple access) – koodipõhine multipöördus. Igale kasutajale antakse unikaalne kood. Kõik kasutavad sama sagedust, kuid kõik kodeerivad saadetavad andmed oma koodiga . Koodid on ortogonaalsed ja sellepärast ei sega erinevad saatjad üksteist. Vastuvõtjas teatakse saatja koodi ja selle järgi on võimalik andmed dekodeerida. CDMA-d kasutatakse enamasti juhtmeta seadmetes ( mobiiltelefonid , sateliitside jne).
Juhupöördusprotkollid ( Random Access Protocols):
Slotted ALOHA - kanal jaotatud võrdseteks ajavahemikeks (slottideks) ning iga saatja võib oma suva järgi kasutada mingit ajavahemikku andmete saatmiseks (saatmine algab ja lõppeb sloti vahetumisel). Kõik saadetavad kaadrid on võrdse pikkusega ja iga kaader on võimalik ära saata ühe sloti jooksul. Kui kaks saatjat saadavad samal ajavahemikul korraga andmeid, tekib kokkupõrge (collision), mille saatjad tuvastavad ja saadavad paketi mingi aja pärast uuesti. Selleks, et ei tekiks uut kokkupõrget samade pakettide vahel, ei saadeta neid uuesti kohe järgmisel ajavahemikul, vaid jäetakse vahele juhuslik hulk ajavahemikke. Seejärel proovitakse uuesti saata, nii kaua kuni lõpuks õnnestub.
Unslotted ALOHA - ei oodata sloti algust, vaid saatjad võivad andmeid edastada suvalisel ajahetkel. Unslotted ALOHA on lihtsam ja võeti kasutusele ajalooliselt enne Slotted ALOHA „leiutamist”. Ilma kindlate ajavahemike määramiseta ei ole saatjad omavahel sünkroniseeritud ja seetõttu võib kokkupõrge tekkida mitte ainult pakettide saatmise alguses vaid põhimõtteliselt suvalisel hetkel, kui üks saatja ei ole veel saatmist ära lõpetanud, aga teine üritab juba alustada. Põrke tõenäosus Unslotted ALOHA puhul on täpselt 2 korda suurem kui Slotted aloha puhul.
CSMA /CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) – kandja- ja põrketuvastusega multipöördus. Lisab CSMA’le ka protseduurid, mida siis teha kui kollisioon tuvastatakse. Selle protokolli puhul kõik saavad saata kaadreid ja kui saatmine toimub ilma kollisioonita, siis on kõik korras. Kui, aga ilmneb kollisioon, siis saadetakse kaader uuesti mingisuguse juhusliku ajavahemiku pärast. CSMA/CD kaks põhireeglit (inimkommunikatsiooni näite vara): ära alusta rääkimist, kui teised räägivad (Carrier Sense); kui keegi teine alustab rääkimist sinuga samal ajal, lõpeta rääkimine (Collision Detection).
Juhupöörduste vead: kasutamata slotid.
Kordamööda kasutamise protokollid:
Polling protocol – üks sõlmedest on põhisõlm, kes sisuliselt koordineerib võrguliiklust. Alguses küsitleb põhisõlm esimest sõlme ja lubab tal mingi kaadreid saata mingi kindla maksimum arvu. Siis lubab põhisõlm saata teisel sõlmel mingi kindla maksimum arvu kaadreid, kusjuures põhisõlm suudab tuvastada selle kui sõlm enam kaadreid saata ei taha. Ning see protsess käib kogu aeg ringiratast. Vead: põhisõlme teavitamine ja suhtlemine kõigi sõlmedega eraldi on aega nõudev. Kui põhisõlm ei tööta, siis terve kanal ei tööta.
Token - passing protocol – sõlmed vahetavad enda vahel erilist kaadrit nimega token. See kelle käes on token saab saata ka kaadreid. Kui kaadreid enam saata pole, siis saadetakse token edasi. Kui on kaadreid saata, siis saadetakse kuni mingi maksimum arv kaadreid ja siis saadetakse token edasi. Vead: ühe sõlme mittetöötamine võib terve kanali mittetöötavaks teha. Kui üks sõlm ei anna mingi vea tõttu tokenit enam käest, siis vea parandamine võib olla aega nõudev.
39. ALOHA ja CSMA/CD (vt eelmist)
40. Token ring
LAN tehnoloogia . 3 baidine kaader nimega Token, mis liigub ringis . Ring ise koosneb võrgusõlmedest. See, kelle käes on Token, saab saata pakette, mis tagab omakorda selle, et kollisioone ringis ei ole. Et arvuti saaks ringis pakette edastada, peab ta kõigepealt Tokeni kinni püüdma. Kui ta on Tokeni kinni püüdnud, siis loob ta sellest kaadri ja paneb sinna vajaliku info paketi saatmiseks ja laseb kaadri võrguringi. Kui õige võrgusõlm saab kaadri kätte, siis saadab ta ACK’i ringis saatjale tagasi. Kui saatja on ACK’i kätte saanud, siis vabastab ta Tokeni ja järgmine sõlm saab hakata saatma. Token ring toetab kahe kaadri formaati: Andmekaader ja Token ringi kaader. Andmekaader koosneb järgmistest elementidest:
Starting Delimiter – määrab ära kaadri alguse
Access Control – määrab ära prioriteedid ja reserveerimisbitid
Frame Control – määrab ära, kas tegu on LLC kaadriga või mitte. Kui ei ole, siis selle välja bitid kontrollid token ringi MAC protokolli
Destination Aadress – vastuvõtja aadress
Source Aadress – saatja aadress
Data unit – sisaldab LLC kaadri andmeid
Frame Check Sequence
End Delimiter – määrab ära kaadri lõpu
Frame Status
Token ring koosneb järgmistest elementidest:SD,AC,ED
41. Token bus
LAN tehnoloogia ja analoogne Token Ringiga. Põhiline erinevus on see, et füüsiliselt ei moodusta võrk ringi vaid Token liigub mööda ühte siini. Siini peal liigub kaader nimega Token ning igale võrgusõlmele on määratud ajapiirang kaua see Token tema käes võib olla. Iga võrgusõlm peab teadma on naabi aadressi (Who Follows Me). See, kellel on luba teab, kes on pärast seda ja küsib, kas keegi tahab ringi ühineda ja saadab tal SolS sõnumi. See, kes tahab ühineda peab vaatama mingisugust kindlat võrgupunkti ja kui ta näeb, et on saadetud SolS sõnum, siis saabki ta ühineda. Saadetakse sõnum SetS ja ring seatakse ümber. Kui keegi lahkub ringist , siis saadab ta jälle SetS sõnumi ja nõnda teavad naabrid, et üks sõlm on ringist lahkunud ja korrigeerivad oma tabeleid. Kui niimoodi lahkumine ei toimu, siis saadab sõlm, kes on enne lahkunud sõlme mingi kindla arvu sõnumeid. Kui vastust ei tule, siis saadab WF sõnumi, millele vastab lahkujast järgmine sõlm SetS sõnumiga. Mõlemad korrigeerivad jälle oma tabeleid ja ring toimib edasi.
42. Datagrammide edastus läbi võrkude (võrgukihi ja kanalikihi tasemel)
Andmete edastus võrgukihi ja kanalikihi tasemel nõuab kahesuguseid aadresse. Omavaheliseks suhtluseks kasutatakse IP aadresse, mida kasutab võrgukiht. Andmete edastuseks vajab kanalikiht nn füüsilist aadressi e MAC aadressi, mida annab välja USA ühendus IEEE. MAC aadressid on kõik unikaalsed ja vastavuses IP aadressidega. Igas seadmes on olemas oma ruutimise tabel, kuhu pakett saata. Kui saadetakse välja pakett, mis on mõeldud samas võrgus asuvale terminalile, siis toimetatakse see vahetult kohale. Kui sihtarvuti ei asu samas võrgus, saadetakse see võrguväravasse (gateway), mis uurib kas sihtarvuti asub samas alamvõrgus. Kui ei, siis saadetakse pakett järgmisele ruuterile. Nii tehakse senikaua, kui jõutakse alamvõrku kus sihtarvuti asub.
Näide: A tahab saata datagrammi B-le läbi ruuteri R. Oletame, et A teab B IP aadressi. 1) A loob datagrammi, mille alguspunktiks on A ja lõpppunktiks B. 2) A kasutab ARPi, et saada R-i MAC aadress. 3) A loob kanalikihi frame’i, kus sihtkohaks on R-i MAC aadress. Frame koosneb A to B IP datagrammist. 4) A kanalikiht saadab frame’i. // 5) R-i kanalikiht saab frame’i kätte. // 6) R eemaldab IP datagrammi Etherneti frame’st, näeb, et see on mõeldud B-le. // 7) R kasutab ARPi, et saada B füüsilise kihi aadress. // 8) R loob frame’i, mis sisaldab A to B IP datagrammi ja saadab B-le.
43. Ethernet
Kõige populaarsem traadiga LAN tehnoloogia. Ethernet ei ole ühendusele orienteeritud, s.t. enne paketi teele saatmist ei toimu handshaking’imist. Samuti pole Ethernet ka usaldusväärne, sest ei toimu ACK’imist ega NAC’imist. Etherneti võrgus liiguvad Etherneti kaadrid, millesse pakitakse IP datagrammid või mõned teised võrgukihi protokolli paketid. Aadressidena kasutatakse 48 bitiseid MAC aadresse. Pakett koosneb sünkroniseerimisjadast, siht ja lähtekohta aadressitest, võrgukihi protokolli tüübist, andmetest ja kontrollkoodist. Kuna Ethernetis leiab aset broadcast’imine (kõik võrgu sõlmed näevad saadetavaid datagramme), siis peab realiseeritav olema multiple access protocol CSMA/CD. CSMA/CD Ethernetis: Kokkupõrke korral edastatakse võrku 48 bit mürasignaal, et kõik oleksid kokkupõrkkest teadlikud ja katkestaksid saatmise. Peale seda valivad kõik saatjad 0…512 bit edastusajast viite. Kui tuleb uus kokkupõrge, valitakse juba suurem bit edastusajast viide jne. Ethernet 10 Base2. Otstes terminaatorid, mis kõrvaldavad signaali peegeldumise võimaluse. Signaal levib mõlemale poole. Edastuskiirus on 10 Mbps. Maksimaalne siini pikkus 200m (tingitud kaadri pikkusest). Siiniks on peenike coax kaabel . Mitme segmendi kokkuühendamiseks kasutatakse repiitereid. 10BaseT – keerupaari võrk. Kasutatakse HUB-dega puu-süsteemi. Edastuskiirus 10 või 100 Mbps. Max kaugus hostist hubini on 100m. HUB võib välja lülitada saatja , mis edastab väljaspool talle ettenähtud aega ja koguda LANi admini jaoks vaatlusandmeid . Gbit Ethernet – Kasutab standardset Etherneti kaadri vormi. Võimaldab punkt-punkt ühendust ja jagatud kanaleid. Kasutab HUB’e. Poin -to-point linkides täisdupleks kiirusega 1 Gbps. 5-4-3 nõue- 5 segmenti, 4 repeaterit, 3 hosti.
44. Jaoturid, sillad ja kommutaatorid
HUB – jaotur . Backbone jaotur ühendab omavahel LAN segmente , võimaldab pikendada sõlmede vahelist vahemaad (tugevdab signaali). // Kui väikeses osas on kokkupõrge, siis saab andmeid saata see, kes peale jääb (kes valib parema uuesti saatmise aja ja õnnestub), kui kokkupõrge aga suuremates osades, siis antakse teade nendele osapooltele ning tuleb teha ootamine . // EHK Jaoturid(HUB) on füüsilise kihi seadmed , mis ühendavad erinevad kaabliotsad. On põhiomaduselt repiiter. Kordab (saadab) oma hosti infot teistele. Ta saadab kogu info laiali kõigile antud hubi küljes olevatele klientidele ning kes tunneb talle määratud paketi ära, võtab ka selle vastu. Hub ei isoleeri kokkupõrget. Hub ei suuda ühendada eri tüüpi Ethernette. Jaoturid on ebaturvalised–segmendi piires on võimalik kõikidel kõiki pakette lugeda, omades vastavat tarkvara. ////////
BRIDGE – Sild on kanalikihi seade. Edastab Etherneti kaadri, uurides selle päist ja saadab valikuliselt need oma sihtpunkti. Sillad suudavad isoleerida kokkupõrkega alad, sest ta puhverdab kaadrid. Nad jagavad võrgu väiksemateks tükkideks ning väiksemad segmendid on väiksemate veavõimalustega. Samuti suudab sild ühendada eri tüüpi Ethernette, sest ta on säilita-ja-saada-edasi seade. Sillad säilitavad filltreerimistabeleid, mida nad on võimelised õppima, neid ei pea reguleerima. Sildade funktsioonid: 1) Pakettide filtreerimine –mingid kaadrid jätta samasse võrku, mingid kaadrid saata üle silla edasi. 2)Edastamine–sild peab suutma eristada, millisesse porti realiseerida kaader. Ruuter tegutseb IP-aadressi tasemel, sild aga MAC-aadressi tasemel. /// Silla näide: C saadab frame’i D-le ja D vastab C-le frame’ga. > Sild saab frame’i C-lt. Sild näeb, et C on liideses üks. > Kuna D-d tabelis ei ole saadab sild frame’i teise ja kolmandasse liidesesse. > D saab frame’i kätte > D koostab frame’i C-le saadab teele > sild saab frame’i kätte, näeb, et D on liideses 2 ja lisab tabelisse > Sild teab nüüd, et C on liideses 1 ja saadab frame’i ainult liidesele 1.
SWITCH - kommutaator, oma olemuselt on see mitme pordiga sild. Kõik, mis kehtib silla kohta, kehtib ka siin. Kanalikihi seade. Salvestab ja edastab Etherneti frame’e. Loeb frame’i header-eid ja saadab valikuliselt frame’e MACi sihtkoha aadressi järgi edasi. Kui frame tuleb saata sedmendile, siis kasutab sild CSMA/CD-d, et segmendile ligi pääseda. // Kommutaatorid on läbipaistvad. Hostid ei tea nende olemasolust. Neid ei pea ka konfigureerima. kommutaatoritel on oma tabelid. Nad õpivad milliste hoste’deni milliste liideste kaudu saab. ///// EHK Switch suurendab läbilaskevõimet ka sellega, et ta ei puhverda tervet kaadrit, vaid loeb päisest sihtaadressi ning hakkab kohe sinna infot edastama. Edastab kaadreid ilma tervet kaadrit ära ootamata. Kombineeritud erikiirusega ühendused 10/100/1000Mbps.
45. CSMA/CA
Erineb CSMA/CD protokollist selle poolest, et püüab kollisioone ennetada. Kasutab ühte persistence strateegiatest. Kui sõlmpunkt näeb, et kanal on vaba, siis ootab ta mingi ajavahemiku ja ootab veel mingi juhusliku ajavahemiku. Pärast seda paneb ta kaadri teele, taimeri käima ja jääb ACK’i ootama. Kui ACK tuleb enne seda kui aega saab otsa, siis on kaadriedastus olnud edukas. Kui, aga ACK’i ei tule õigeaegselt, siis saatja teab, et midagi on valesti ja suurendab oma juhuslikku ooteaega ning proovib siis mingi aja pärast uuesti.
46. ATM
Arendamise eesmärgiks oli luua selline võrk, mis transpordiks reaalaja helisid ja videosid ning samuti ka teksti faile, e-maile ja pildifaile. Andmed on kodeeritud väikestesse 53 baidistesse pakettidesse, mida nim. cell’ideks. ATM põhineb pakettedastuste ja virtuaalahela võrkude arhitektuuril ning koosneb kolmest kihist:
1)ATM adaptation layer (AAL) – see kiht on ainult lõpp-kasutajate masinates ja on analoogne transpordi kihiga . Andmed liiguvad saatja poolelt kihtide vahel ülevalt alla ja vastuvõtja poolel alt üles. Ülesanded: vigade leidmine/parandamine, segmenteerimine. Loob AAL protocol data unit’i (PDU) ja saadab alumisele kihile.
2)ATM layer – on ARMi arhitektuuri südameks. Loob ATM cell’i, mis on sama tähtis ATM võrgule nagu IP datagramm IP võrgule. Ülesandeks on transportida ATM cell’id üle võrgu luues selleks virtuaalkanali. Virtuaalkanal pole midagi muud kui virtuaalahela kanal, mis on ühendusele orineteeritud andmeedastusega, kahe punkti vahel.
3)ATM physical layer – tegutseb voltide ja bitide tasandil ehk siis füüsilise andmeedastusega.
ATM-teenust on nelja liiki: 1) CBR ( Constant Bit Rate ) - konstantse bitikiirusega, sarnane rendiliinile; 2) VBR (Variable Bit Rate) - muutuva bitikiirusega, sobib heli ja video puhul; 3) UBR (Unspecified Bit Rate) - suvalise bitikiirusega, sobib e-posti ja veebilehtede edastamiseks; 4) ABR ( Available Bit Rate) - garanteerib minimaalse bitikiiruse, kuid lubab aeg-ajalt ka suuremaid kiirusi, kui võrk on vaba
47. Võrkude turvalisus ja ohud
Võrkude turvalisuse põhilised aspektid on:
1) Konfidentsiaalsus – ainult saatja ja vastuvõtja peaksid aru saama sõnumi sisust. See on võimalik saavutada kui saatja krüpteerib sõnumi ja vastuvõtja dekrüpteerib sõnumi.
2)Autentimine – saatja ja vastuvõtja peaksid saama ennast üksteisele tuvastada nii, et nad saaksid olla kindlad kellega nad suhtlevad.
3)Sõnumi terviklikkus – sõnum peab saatjalt vastuvõtjani jõudma terviklikkuna nii, et see ei oleks moondnud mingil kujul
4) Saadavus ja juurepääsu kontroll – võrgus olevad teenused peavad olema kõigile, kellele need on mõeldud, kättesaadavad.
Teod, millega sissetungija saab ebameeldivusi tekitada on:
1)eavesdropping – andmete kuulamine ja salvestamine kanalis
2)Andmete muutmine, sisestamine , eemaldamine pakettides
3)Vastuvõtja teesklemine
4)Enda asendamine saatja või vastuvõtjaga võttes ühenduse üle
5)Teenuste kasutamise keelamine
48. Krüptograafia, algoritmid ja võtmed
Krüptograafia võimaldab andmed niimoodi ära moondada, et pealtkuulaja ei saa mingisugust informatsiooni nendest andmetest. Vastuvõtja oskab moonutatud andmed viia oma esialgsele kujule.
Algoritmid on need, mille abil andmed ära moonutatakse.
Võtmed võetakse algoritmi sisendiks krüpteerimisel ja ka dekrüpteerimisel ning ilma nendeta poleks võimalik neid protseduure korrektselt läbi viia.
Algoritm võib olla mõlemal poolel sama, aga võti peab kindlasti erinema. Hea algoritm on selline algoritm, mis sunnib kõiki võtmeid läbi proovima. Halb algoritm võimaldab võtmete hulka vähendada kuidagi.
Näide: Oletame, et me tahame turvaliselt vastuvõtjani edastada teksi m. Selleks on meil võti KA ning krüpteerimisalgoritm. Šifritekstiks on väärtus KA(m), mis tähendab, et tekst m on krüpteeritud võtmega KA. Kui vastuvõtja saab šifriteksti kätte, siis oleme me talle andnud ka võtme KB , millega on võimalik dekrüpteerida tekst m. Nii et antud juhul KB(KA(m))=m. Sümmeetrilise võtme krüptograafia puhul on saatja ja vastuvõtja võtmed samasugused ja salajased. Avaliku võtme krüptograafia puhul kasutatakse kahte võtit, üks on teada kõigile ja teine on teada on teada ainult vastuvõtjale.
49. Sümmeetrilise võtme krüptograafia, DES
Saatja ja vastuvõtja võtmed on ühesugused. 1)Caesari šiffer - täht asendatakse krüptitud kirjas tähestikus k võrra edasi oleva tähega (nt: k=5: a -> f, b -> g jne.). k väärtus on võtmeks. 25 eri võtmevarianti. 2) monoalpabetic cipher (ühetäheline šiffer) - täht asendatakse suvalise teise tähega tähestikus, asendus ei pea olema mingi kindla süsteemi järgi. Iga täht võib krüptimisel asendada ainult ühte tähte. 26! eri võtmevarianti (10 astmes 26 võimalikku tähepaari). 3) polyaphabetic cipher (mitmetäheline šiffer) - kasutatakse mitut ühetähelist šifrit. Kindlas kohas tekstis kasutatakse ühte neist šifritest, teises kohas teist. Šifrid erinevad üksteisest võtme väärtuse poolest.
DES – kodeerib andmed 64 bitisteks blokkideks kasutades selleks 64-bitist võtit. 8 biti 64’st tegelikult ei kasutata nii, et võti on 56 biti pikk. DES koosneb kahest permutatsiooni (järjestuse muutmise sammust) ja need on esimeseks ja viimaseks sammuks algormitmis. Vahepeal teeb algoritm 16 identset operatsiooniringi. Iga operatsioon võtab eelmise operatsiooni väljundi sisendiks.
50. Avaliku võtme krüptograafia, RSA
Edaspidi: eb(m) - krüptimise võti; db(m) - dekrüptimise võti. Saatja saab vastuvõtja public encryption key (PEK). Saatja krüpteerib sõnumi m PEK-iga ja teadaoleva krüpteerimisalgoritmiga (nt Caesari krüpteering) (saadakse eb(m) ). Vastuvõtja saab saatjalt krüpteeritud sõnumi eb(m) ning kasutab oma privaatset dekrüpteerimise võtit (PDK) ning sama krüpteerimise algoritmi, et dekrüpteerida sõnumit (s.t. db(eb(m)) = m). Leidub selliseid krüpteerimise /dekrüpteerimise algoritme, et kui rakendada krüpteerimiseks PEK-i sõnumile ning hiljem PDK dekrüpteerimiseks, siis algne sõnum on enne krüptimist ja pärast dekrüptimist identne: m = db(eb(m)). Kui rakendada alguses sõnumile PDK krüptimiseks ja dekrüptimiseks PEK, siis saadakse sama tulemus: eb(db(m)) = m.
RSA algoritm (Rivest, Shamir, Adleman algoritm) - on saanud avaliku võtme krüptograafia sünonüümiks. Kaks omavahel seotud komponenti RSA-l: * avaliku ja privaatse võtme valik; * krüptimise ja dekrüptimise algoritmi valik. Võtmete valikuks peab saaja:
1) valima kaks suurt algarvu p ja q (mida suurem arv, seda raskem koodi murda). Soovituslikult võiksid p ja q olla 1024 biti(väga tähtsa info jaoks) või 768 biti(vähem tähtsa info jaoks).
2) arvutama n = pq ja z = (p-1)(q-1)
3) valima arvu e 4) Valima arvu d nii, et ed -1 jagub täpselt (jäägita) arvuga z. (ehk: e*d mod z = 1)
5) avalik võti on eb(n,e), privaatvõti on db(n,d).
Saatjapoolne krüptimine ja saajapoolne dekrüptimine:
1) Oletame, et saatja tahab saata numbrit m 2) Vastuvõtjapoolne dekrüptimine: m = cd mod n
51. Autentimine
Autentimine on oma identiteedi tõestamine kellelegi teisele. Autentimisprotokoll (ap) kõigepealt identifitseerib suhtlejad teineteisele ja alles peale identifitseerimist algab tegelik suhtlus.
1) Autentimisprotokoll ap1.0 - lihtsaim autentimisprotokoll. Saatja ( Alice ) saadab vastuvõtjale (Bob) sõnumi, et tema on saatja. Probleem - vastuvõtja ei saa kindel olla, et saatja on tegelikult Alice, vaid võib olla keegi muu, kes väidab end olevat Alice.
2) Autentimisprotokoll ap2.0 - Vastuvõtja (Bob) võib kontrollida IP-datagrammist, kas Saatja aadress on tegeliku Saatja (Alice) IP-aadress. IP-datagramm on võltsitav, seega pole see info usaldusväärne.
3) Autentimisprotokoll ap3.0 - Saatja (Alice) edastab vastuvõtjale (Bob) identifitseerimiseks oma salasõna. Salasõnade edastamist saab "pealt kuulata", seega võib keegi teine saada teada Saatja salasõna, ning hiljem esineda ise õige Saatjana.
4) Autentimisprotokoll ap3.1 - salasõna krüptitakse. Saatjal ja vastuvõtjal on ühine sümmeetriline võti. Pole turvaline - keegi võib kuulata pealt salasõna krüptitud kujul, ning saata seda hiljem saajale , esinedes ise õige saatjana (playback attack). Alati kasutatakse ühte ja sama salasõna.
5) Autentimisprotokoll ap4.0 - iga kord kasutatakse erinevat salasõna. Kasutab sümmeetrilise võtme krüptograafiat. Lepitakse kokku salasõnade jada või algoritm, mille alusel salasõna leitakse. nonce - number, mida ap kasutab ainult üks kord "eluaja" jooksul.
•Saatja(Alice) saadab sõnumi "hi, I am Alice" saajale (Bob).
•Vastuvõtja valib nonce-i R ja saadab R-i saatjale.
•Saatja krüptib R-i, kasutades ühist sümmeetrilist krüptimisvõtit ning saadab krüptitud R-i tagasi saajale.
•Vastuvõtja dekrüptib saadud krüptitud R-i: kui see vastab algsele R-ile, siis on saatja autenditud.
6) Autentimisprotokoll ap5.0 - kasutab avatud võtme krüptograafiat sarnaselt ap4.0-ga.
•Saatja saadab saajale sõnumi "hi, I am Alice".
•Vastuvõtja valib nonce-i R ja saadab selle saatjale.
•Saatja kasutab oma privaatvõtit, et krüptida nonce R ja saadab krüptitud R-i tagasi saajale.
•Vastuvõtja kasutab saatja avalikku võtit, dekrüpteerimaks saatja saadetud R-i. Kui dekrüptitud R vastab algsele, on saatja autenditud.
Selle ap töökindlus sõltub avalike võtmete jagamisest. Probleem - Saatja ja saaja suhtlevad omavahel, kuid neid kuulab vahepeal salaja pealt keegi kolmas. Kui vastuvõtja hakkab saatma krüptitud andmeid saatjale, kasutades pealtkuulajalt saadud krüptimisvõtit, siis pealtkuulaja saab sõnumi kätte plaintextina ning saadab selle siis plaintextina edasi tegelikule adressaadile - saatjale. Saatja ja saaja vahetavad omavahel andmeid, teadmata, et neid kuulatakse pealt (man-in-the- middle attack).
52. Digitaalallkiri
Digitaalallkiri on krüptograafia tehnoloogial põhinev meetod, mis võimaldab tuvastada dokumendi omaniku või looja.
Toimib see järgnevalt:
1) Saatja krüptib sõnumi m oma privaatvõtmega db, saades tulemuseks sõnumi m ja digitaalallkirja db(m). Saatja saadab sõnumi m ja digitaalallkirja db(m) vastuvõtjale.
2) Vastuvõtja kasutab saatja avalikku võtit, et arvutada välja eb(db(m)) = m, mis on võrdne algse sõnumiga m.
Kes iganes digiallkirjastas sõnumi, kasutas saatja privaatvõtit. Seda saab kasutada ainult saatja isiklikult. Seega antud sõnumi saatis saatja ja mitte keegi kolmas. Kuid digitaalne allkirjastamine on tegelikult üsna kallis ja kui andmed võrgusõlmede/ruuterite vahel liiguvad, siis ei ole vahest olulinegi, kas andmed on krüpteeritud või mitte. Sellepärast kasutatakse sageli sõnumi kokkuvõtteid (message digest), mis pole midagi muud kui hash funktsioonist läbi lastud andmed, mis teevad esialgsed andmed lühemaks. Palju effektiivsem on kui allkirjastada sõnumi kokkuvõtted, mitte kõik andmed.
53. Sertifitseerimine
Sümmeetrilise võtme krüptograafia sümmeetrilise võtme ning avaliku võtme krüptograafia avaliku võtme saamiseks kasutatakse usaldusväärset vahendajat (trusted intermediary). Sümmeetrilise võtme krüptograafia puhul nim. vahendajat key distribution center (KDC). Avaliku võtme krüptograafia puhul nim. vahendajat certification authority (CA).
KDC – server, mis teab oma kasutajate sümmeetrilisi võtmeid
•Saatja ja vastuvõtja teavad ainult oma enda salavõtit.
•Saatja (A) saadab KDC-le oma salavõtmega krüptitud teate KA-KDC, et ta tahab suhelda mingisuguse sõnumi vastuvõtjaga (B).
•KDC, teades saatja salavõtit, dekrüptib KA-KDC saadetud teate ning genereerib suvalise numbri R1 - one-time session key (ühine salavõti, mida saatja ja saaja kasutavad omavahelises suhtluses). Antud R1-e kasutatakse ainult antud sessiooni ajal.
•KDC krüptib A ja R1 vastuvõtja võtmega KB-KDC(A,R1) ning valmistab sõnumi KA-KDC(R1, KB-KDC(A,R1)), mille ta saadab saatjale.
•Saatja saab KDC-lt sõnumi, dekrüptib selle oma salavõtmega, saab teada R1 väärtuse ning saadab (A, R1) krüptitud paari KB-KDC(A,R1) vastuvõtjale.
•Vastuvõtja dekrüptib oma võtmega paari (A, R1) ning saab teada R1 väärtuse.
Avaliku võtme sertifitseerimine – Avaliku võtme krüptograafia on kasutuskõlblik ainult siis kui vastuvõtja saab kindel olla, et tal on saatja avalik võti, sest vastasel juhul võib tegu olla pettusega. Isikute ja avalike võtmete kokku viimisega tegeleb certification authority.
•CA verifitseerib, et isik või subjekt (olgu selleks, siis kasutaja, brauser, ruuter vms) on, kes ta väidab end olevat.
•Kui CA tuvastab identiteedi, siis loob ta ka sertifikaadi, mis seob isiku avaliku võtme just identifitseerituga. Sertifikaat koosneb avalikust võtmest ja globaalselt unikaalsest avaliku võtme omaniku identifitseerimisinformatsioonist (nt inimese nimi või masina IP-aadress). CA seejärel digiallkirjastab sertifikaadi.
Vastuvõtja saab saatjalt tema sertifikaadi (veebilehelt, meilist või sertifikaadiserverist). Saaja kasutab CA poolt antud avalikku võtit kontrollimaks saatja saadetud, CA-poolt allkirjastatud sertifikaati.
54. Võtmete jaotussüsteemid ja protokollid
Jaotussüsteemid (vt eelmist)
Protokollid:
1) Kerberos – on analoogne KDC’le, kuid selle vahega, et autentida kasutajaid, kes sisenevad serverisse. Toimib järgnevalt:
*Saatja kontakteerub Kerberose serveriga, sest ta tahab siseneda serverisse. Siis annab saatja oma nime ja passwordi local hostile, kes kontakeerub ise Kerberosega, et selgitada välja salajane võti saatja ja Kerborose vaheliseks suhtluseks.
* Kerberos autendib saatja ja genereerib sessiooni võtme ja „pileti“, millega pääseb serveri teenustele ligi (pilet sisaldab saatja kohta vajalikku infot, mis läheb serverile) ning saadab selle saatjale.
*Saatja saadab pileti ja sessiooni võtme serverisse, server dekrüptib ja saadab Alice’le teate, et pääse on olemas.
2)Needham-Schroeder protocol
3)Otway- Rees protocol
55. Tulemüürid
Tulemüür on kombinatsioon riist - ja tarkvarast, mis isoleerib organisatsiooni sisevõrku Internetist, lubades mõned paketid läbi (internetist - võrku ja vastupidi) ning blokeerides kõik teised. Tulemüür laseb võrgu administraatoril kontrollida andmeliiklust sise- ja välisvõrgu vahel. Ühes organisatsioonis võib olla ka mitu tulemüüri erinevatel tasanditel, tavaliselt on üks tulemüür alati välisvõrgu ühenduse juures, et oleks kergem tervet liiklust korraga hallata. Kaks tüüpi tulemüüre:
1) Packet-filtering firewall - pakettfiltriga tulemüür (opereerib võrgukihil). Tavaliselt toimub pakettfiltreerimine välise ISP-i ja firma võrgu vahel olevas ruuteris. Kõigepealt vaatab pakettfilter läbi datagrammi päise (header) ning siis kasutab võrgu admini poolt seatud reegleid paketile - kas lasta datagramm läbi või mitte. Tavalisemad filtreerimise alused - a) Sihtkoha või vastuvõtja IP aadress (Filtrina võib kasutada ka kombinatsiooni aadressist ja pordi numbrist (nt tulemüür võib läbi lasta kõik
Telneti datagrammid (port 23), välja arvatud need, mis lähevad admini poolt määratud IP-aadressidele.) ; b) TCP või UDP saatja- või sihtport (Nd: blokeerida kõik UDP ja Telneti ühendused (väliskasutajad ei saa logida sisse organisatsiooni võrku, sisekasutajad ei saa logida välistesse võrkudesse); c) ICMP sõnumitüüp; d) Ühenduse initsialiseerimise datagrammid, mis kasutavad TCP SYN või ACK bitte ( filter - kas TCP ACK bit on seatud või mitte. Võimaldab sisekasutajatel luua ühendust välisvõrguga, kuid mitte väliskasutajatel sisevõrguga). Filtrite järjekord on oluline.
2) Application Gateway (edaspidi AG). In order to have a finer-level security, firewalls must combine packet filters with AG-s. AG-s look beyound the IP / TCP / UDP headers and make policy decisions based on application data. AG is an application-specific server through which all application data (inbound and outbound) must pass . Nd: tulemüür, mis lubab mõnedel sisekasutajatel kasutada Telneti ühendse võtmiseks välisvõrguga, kuid keelab kõikide teiste sisekasutajate välisvõrgu kasutust ning välisvõrgu kasutajatel sisevõrgu kasutust. Kasutatakse kombineeritult pakettfiltrit (ruuteris) ja Telneti AG-d. Ruuteri filter blokeerib kõik Telneti ühendused, v.a. need, mille algatajaks on lubatud aadressid AG-s. See filter suunab kõik väljastpoolt tuleva Telneti liikluse läbi AG. Kasutaja tahab algatada Telneti seanssi. AG-s jooksev application laseb kasutajal sisestada kasutajatunnuse ja parooli ning peale sisestamist kontrollib, kas antud kasutajal on õigus algatada telneti sessiooni. kui ei ole õigust, siis sisekasutaja telneti ühendus katkestatakse AG poolt. Kui on õigus, siis 1) AG küsib kasutajalt sihtkoha nime, 2) AG seab üles telneti sessiooni sihtkoha ja gateway vahel, 3) vahendab sisekasutaja ja sihtkoha vahelist liiklust. Seega on AG ka Telneti server ja Telneti klient. Igale applicationile on vaja oma AG-d ( Telnet , HTTP, FTP, e-mail jne).
56. Transpordikihi turvalisus, SSL
SSL - Secure Sockets Layer - protokoll, mis on loodud selleks, et võimaldada autentimist kliendi ja serveri vahel ning ka krüpteeritud andmeliiklust.
Protokoll tomib järgnevalt:
1)Handshake
2)Lepitakse kokku krüpteerimise algoritm ja võtmed ning toimub ka autentimine
3)Andmete vahetus (krüpteeritud kujul, kasutades neid võtmeid ja algoritme, milledes kokku lepiti)
SSL on üks põhilisi turvalise andmevahetuse transpordikihi protokolle. SSLi või mõne muu protokolli kasutus on väga oluline E-kaubanduse juures ning leiab seal ka kõige rohkem kasutust. Peale selle kasutatakse ka näiteks IMAP meilide juures. SSL-i võib vaadata kui kihti application layeri ja transport layeri vahel. Saatja poolel saab SSL andmed (nt HTTP või IMAP sõnumi rakenduselt) kätte, krüptib andmed ja saadab krüptitud andmed TCP socketisse. Vastuvõtja poolel loeb SSL andmed TCP socketist, dekrüptib andmed ja saadab andmed rakendusele.
SSL-i võimalused:
1) SSL server authentication. võimaldab kasutajal veenduda serveri identiteedis. SSL-i valmidusega brauseril on nimekiri usaldusväärsetest sertifitseerimisinstitutsioonidest (CA-dest) koos nende CA-de avalike võtmetega. Kui brauser tahab suhelda SSL-i toega veebiserveriga, siis saab brauser sertifikaadi serveri avaliku võtmega. Sertifikaadi annab välja (allkirjastab digitaalselt) CA, mis on brauseri nimekirjas. See võimalus laseb brauseril identifitseerida serveri enne, kui kasutaja sisestab oma krediitkaardi andmed.
2) SSL client authentication. Laseb serveril veenduda kasutaja identiteedis. Analoogne serveri identiteedi autentimisega. Vajalik nt juhul, kui serveriks on panga server, mis saadab konfidentsiaalset informatsiooni kliendile ja tahab olla kindel kliendi isikus .
3) An Encrypted SSL session - kogu info, mida vahetatakse serveri ja brauseri vahel, on krüptitud saatva tarkvara poolt ja dekrüptitud vastuvõtja tarkvara poolt. SSL-toega serveri protokoll URL-is on https tavalise http asemel. Brauser ja server läbivad handshake-faasi ( a) Bob satub Alice-i SSL-toega lehele; b) Alice saadab Bob-ile oma sertifikaadi, c) Bob saab kätte Alice-i avaliku võtme, d) Bob genereerib suvalise sümmeetrilise võtme ja krüptib selle, kasutades Alice-i avalikku võtit, saadab Alice-le; e) Alice dekrüptib sümmeetrilise võtme) ning suhtlus võib alata, kasutades edaspidi alguses genereeritud sümmeetrilise võtmega krüptitud andmeid.
57. E-kaubandus, SET
SET - Turvaline elektrooniline ülekanne. Loodi turvalisteks ja terviklikeks rahaülekanneteks internetis. SSLi puhul on puudu mõned aspektid puudu, mis on olulised turvalisteks rahaülekanneteks. SET tagab turvalisusele kliendile, müüjale ja müüjat esindavale pangale, kõigil peavad olema sertifikaadid. SET täpsustab sertifikaatide õigusliku tähenduse - seob endas reegleid usaldusväärsete tehingute teostamiseks. Sisaldab järgmisi komponente:
1)Kaardihoidja rakendus (digitaalne rahakott), mis on siis ostja oma ja sisaldab endas krediitkaardi informatsiooni ja digitaalset allkirja, mis tagab selle, et ostja on see, kes ta väidab end olevat.
2)Müüja server
3)Makselüüs (payment gateway) kuulub tavaliselt pangale, mis viib tavaliselt läbi tuvastamised jms
4)Sertifikaatide hoidja, kes vastutab sertifikaatide eest
58. Võrgukihi turvalisus, Ipsec
IPSec (Internet Protocol Security) - internetiprotokolli andmeturve - Firma Cisco Systems juhtimisel arendatav andmeturbe standard võrgu- või paketitöötluskihi tasemel. Varem sisestati andmeturve sidemudeli rakenduskihti. IPSec on eriti kasulik virtuaalsete privaatvõrkude ehitamisel ja kasutajatele turvalise kaugpöörduse võimaldamisel virtuaalsetesse privaatvõrkudesse. IPSec’i suur eelis on selles, et andmeturbe tagamiseks pole vaja teha mingeid muudatusi individuaalkasutajate arvutites. Cisco varustab kõiki oma võrgumarsruutereid IPSec’i toega. IPSec pakub kaht turbeteenuse valikut: andmete saatja autentimist võimaldavat autentimispäist (AH) ning sõnumi kapselturvet (ESP), mis toetab niihästi saatja autentimist kui ka andmete krüpteerimist. Kummagi teenusega seotud spetsiifiline informatsioon sisestatakse sidekanalis edastatavasse paketti eraldi päisesse, mis järgneb IP paketipäisele. On võimalik valida mitme erineva võtmeprotokolli vahel, näiteks võib kasutada ISAKMP/Oakley protokolli. IPSec sobib kasutamiseks nii Internetis, ekstranetis, intranetis kui kaugpöördusega privaatvõrkudes
EHK Nagu just öeldud, võrgukihi turvalisus e IPSec koosneb eraldi protokollidest. Esimene - AH pakub allika autentimist, paketi puutumatust, kuid mitte selle salastatust. AH päis pannakse Ippäise ja IP andmevälja vahele. AH päis sisaldab : 1) ühenduse ID-d . 2) allkirjastatud sõnumi kokkuvõtet, mis arvutatakse originaal IP datagrammist; allika autentimise infi;sõnumi puutumatust. 3) järgmise päise tüüpi, mis määratleb andmete tüübi: (TCP, UDP, ICMP,jne). Teine protokoll, mida IPsec sisaldab on ESP, mis tagab salastatuse, saatja autentimise ja andmete puutumatuse. ESP protokolli datagramm on järgmine: [IP päis][ESP päis*][TCP/UDP segment**][ESP trailer **][ESP autent.]. *-autenditud. **- autenditud ja krüpteeritud. ESP päis sisaldab samu välju mis AH päis.
59. Võrguhaldus, SNMP
Võrguhaldus hõlmab tarkvara, riistvara ja inimelementide paika panemist, integreerimist, koostööd, et jälgida, testida, seadistada, analüüsida, hinnata ja kontrollida võrku ja vahendeid, et need vastaksid soorituste ja teeninduskvaliteedi nõuetele ning oleksid mõistliku hinnaga.
Võrguhalduse osad: haldav isik, võrku haldav protokoll, hallatavad seadmed ja objektid, mille info kongutakse infobaasi.
Standardid: CMIP (Common Management Information Protocol) ja SNMP (Simple Network Management Protocol). ==> SNMP - lihtne võrguhalduse protokoll - Interneti protokollistandard STD 15, RFC 1157 sõlmede haldamiseks IP võrgus. SNMP ei piirdu ainult TCP/IP võrguga, seda saab kasutada ka igasuguste võrguga ühenduses olevate seadmete nagu arvutid, marsruuterid, jaoturid jms halduseks.
SNMP koosneb neljast osast: 1) management infobaas (kogutakse võrgu haldamise infot); 2) haldamise informatsiooni struktuur (management’i infobaasi objektide defineerimise keel); 3) SNMP protokoll (request/response mode; trap mode), millega vahetatakse kogutud haldamisinfot; 4) turvalisus ja administratsioon (krüpteerimine, autentimine..).
Kogu info on hierarhiliselt hajutatud . Informatsiooni saamiseks ja edastamiseks liiguvad SNMP paketid võrgukese ja selle pealiku vahel. Turvalisuse tagamiseks kasutatakse SNMP sõnumite krüpteerimist DES-iga ning autentimiseks kaasut. Salajast võtit ning räsifunktsiooni.
60. Sünkroniseerimine, asünkroon- ja sünkroonedastus
Asünkroonülekanne - Andmete edastusviis, kus edastatakse üks märk korraga ja ajavahemik kahe märgi edastamise vahel on ebaühtlane. Algus bitt ja lõpubitt annavad arvutile teada, millal märgi edastus algab ja millal lõpeb. Nt: A "0100 0001" saab "1 0100 0001 0" , lisa üks (või null, olenevalt paarsus bitil). Seda ülekandemeetodit kasutatakse kui andmeid saadetakse katkendlikult mitte ühe jadana.
Sünkroonedastuse korral edastatakse mitte üksikuid märke, vaid terveid stringe. See on kiirem, aga ka kallim tehnoloogia. Lisaks tuleb tegeleda ka signaalide sünkroniseerimisega, et edastus toimuks samal ajal, kui kasutatakse sünkroonset ühendust. St. mõlemad osapooled peavad käima samas taktis, sama kella järgi. ///// EHK Kahe sõlme vahel saadetakse andmed pideva jadana. Tegu on küll kiirema andmeedastusega (pole start ja stop bitte), aga võib esineda rohkem vigu, sest kellad võivad muutuda erinevaks. Selle probleemi lahendaks kellade uuesti sünkroniseerimine.